5 Заготовки, получаемые из порошковых, неметаллических материалов, композитов
5.1. Порошковая металлургия
Порошковая металлургия отличается разнообразием технологических приемов и способов производства, что позволяет получать спеченные материалы и изделия различных составов, свойств и назначений.
Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода заготовок является применение порошков исходных материалов (металлов, сплавов, металлоидов и др.), которые затем прессуют или формуют в изделия заданных размеров и подвергают термической обработке (спеканию).
Принципиальная технологическая схема современной порошковой металлургии состоит из следующих операций:
1) получение металлических порошков со свойствами требуемого изделия;
2) приготовление смеси определенного химического и гранулированного состава;
3) прессование заготовок из порошка или смесей;
4) спекание спрессованных заготовок при определенной температуре в защитно-восстановительной среде;
5) дополнительная обработка (допрессовка и спекание);
6) термическая или химико-термическая обработка, обработка резанием, пропитка маслом.
Достоинства порошковой металлургии следующие:
- возможность изготовления деталей из тугоплавких материалов, псевдосплавов (например, медь - вольфрам, железо - графит), пористых материалов;
- значительная экономия материалов в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не нуждающихся (или почти не нуждающихся) в последующей механической обработке;
- возможность получения изделий из материалов высокой чистоты;
- технология порошковой металлургии по своему характеру несложна.
Сравнительно высокая стоимость исходных порошков и пресс-форм делает производство деталей из порошков выгодным лишь в случае, когда объём партий выпускаемых изделий определяется десятками тысяч. Однако уникальные свойства получаемых изделий часто оправдывают целесообразность изготовления изделий из порошков и значительно меньшими партиями.
К недостаткам порошковой металлургии можно отнести ограниченность размеров и относительную простоту формы получаемых изделий, что обусловлено спецификой формования порошков. При изготовлении деталей машин методом порошковой металлургии наличие остаточной пористости в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как при изготовлении литьем или ковкой.
Технологические требования к заготовкам деталей, изготовляемым методами порошковой металлургии
Технология производства порошковых деталей, как и любая другая, предъявляет к конструкции деталей требования, связанные с особенностями применяемых материалов и спецификой технологии.
При конструировании порошковых деталей необходимо руководствоваться следующим (рисунок 28):
1) нельзя допускать резких изменений толщины детали 1;
2) нельзя допускать узких и длинных выступов 2, узких и длинных выемок 3, обратной конусности (4), острых углов 5;
3) сопрягающиеся поверхности должны иметь радиусы перехода не менее 0,25 мм;
4) следует избегать радиальных канавок 6, выемок и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования 7;
5) в зависимости от удобства прессования необходимо углубление и пазы заменять выступами 8 и, наоборот, выступы заменять углублениями 9.
Методика подбора номенклатуры деталей для изготовления методом порошковой металлургии включает в себя следующее:
- выявление объекта (деталей и узлов с низким сроком службы, из дорогих и дефицитных материалов);
- классификацию выявленных деталей в зависимости от конфигурации геометрических размеров, режимов и условий эксплуатации;
- анализ особенностей работы деталей, предварительный отбор материала для замены;
- предварительное определение экономической эффективности производства и применения порошковых деталей.
Рис. 28. Примеры нетехнологичной (а) и технологичной (б) конструкций порошковых деталей
При отборе деталей для перевода на изготовление методами порошковой металлургии и конструировании порошковых заготовок необходимо учитывать следующие рекомендации:
- размеры деталей должны находиться в пределах 0,5 - 60 см2 по сечению и 2 - 60 мм по высоте;
- масса деталей не должна превышать 5 - 10 кг, при этом наиболее оптимальная масса деталей на основе бронзы - от 2 до 100 г, на основе железа - от 2 до 800 г;
- отношение длины детали к ее диаметру не должно превышать 2,5 - 3,0;
- острые углы и грани должны быть закруглены радиусом не менее 0,13 мм;
- конусность по высоте детали должна быть не более 0,008 мм на каждый миллиметр длины;
- точность размеров некалиброванных деталей - 10-11 квалитет, калиброванных - 8-9 квалитет;
- шероховатость поверхности некалиброванных деталей от Ra = 2,5 мкм, до Ra = 0,63 мкм, калиброванных - от Rа = 0,32 мкм до Ra = 0,08 мкм.
Конструкционные порошковые детали выпускаются в виде готовых изделий из заготовок, которые требуют небольшой механической обработки. Путем применения различных композиций материалов, конструкционным деталям придаются достаточно высокие физико-механические свойства.
Антифрикционные детали применяются для узлов трения машин и механизмов. Применение пористых подшипников из порошковых материалов снижает износ валов. Спеченные подшипники, благодаря наличию пор (17-25%), пропитанные изготовителем смазочным материалом, длительное время могут работать без дополнительной смазки. Пористые подшипники могут работать в паре с закаленными и незакаленными валами, их можно подвергать любой механической обработке: точению, сверлению, фрезерованию, развертке.
Детали, получаемые методами порошковой металлургии из порошков железа, меди, титана, графита и других элементов, их смесей и порошков различных сплавов, эффективно заменяют конструкционные, антифрикционные, фрикционные, пористые, магнитные и другого назначения детали из компактных цветных и черных сплавов.
Наиболее характерными порошковыми деталями являются втулки, шайбы, кольца, шестерни, вкладыши, храповики, рычаги, кулачки, сухари, колпачки, накладки, гайки и т.п. Способы порошковой металлургии позволяют получать продукцию в виде полностью готовых деталей, а также в виде заготовок требующих незначительной механической обработки.
Методы порошковой металлургии позволяют получать радиальные, упорные, самоустанавливающиеся подшипники различной конфигурации с цилиндрической, конической, шаровой рабочей поверхностью. Порошковые подшипники жидкостного смазывания, состоящие из двух и более частей (деталей), имеют компенсационные масляные резервуары, позволяющие значительно увеличить продолжительность службы подшипника.
Изготовление порошковых деталей экономически оправдывается при определенном выпуске: для деталей простых форм - 100 000 шт., средней сложности - 25 000 штук и сложной формы - 5 000 шт.
Технологичность конструкции порошковых деталей прежде всего определяется возможностями прессования, так как порошковая шихта, обладая низкой текучестью, под действием давления плохо заполняет отдельные части полости пресс-формы (особенно глубокие и узкие), не обеспечивая равномерного распределения плотности по всему сечению и объему. Поэтому обычно отношение длины детали к диаметру (толщине) рекомендуется (3-4):1, а в отдельных случаях при использовании специальных смазок допускается (7-8):1.
Изготовление отверстий любой формы, расположенных в направлении прессования, не представляет трудностей. Отверстия очень малых диаметров из-за низкой стойкости прессового инструмента не выполняются. Круговые канавки, резьба, обратная конусность, а также отверстия, располагаемые под углом к направлению прессования, обычно выполняются в деталях механической обработкой после спекания.
Ребра, выемки и выступы следует располагать ближе к верхнему краю детали. Минимально допустимая толщина стенки зависит от размеров детали и должна быть пропорциональна ее высоте. Так, например, для детали диаметром 10-15 мм и высотой 15-20 мм толщина стенки должна быть не менее 1,2 мм. У более крупных деталей толщина стенки должна быть больше.
Минимально допустимая толщина стенки 0,8 мм, а переходы от меньшего размера к большему должны быть не менее 1,6 мм.
Не рекомендуется конструировать детали с тонкими лезвиями, узкими и глубокими шлицами, шпоночными канавками и т.д.
Выпуклые или углубленные надписи на деталях могут быть как в верхней, так и в нижней ее частях.
В местах сопряжения, углах и впадинах должны быть закругления с внутренним радиусом не менее 0,25 мм и наружным более 2,5 мм.
В последние годы с освоением горячей штамповки и индукционного нагрева в порошковой металлургии значительно расширились технологические возможности получения порошковых деталей более сложной конфигурации.
Наибольшая масса порошковой детали ограничивается не только ее конфигурацией, но и мощностью прессового оборудования, что определяется необходимым удельным давлением прессования (30-100 МПа).
При выборе порошкового материала для изготовления той или иной детали конструктор должен учитывать физико-механические свойства материалов, из которых наиболее важными являются плотность и пределы прочности при растяжении и изгибе.
Точность геометрической формы и взаимного расположения поверхностей заготовок из КПМ определяются точностью пресс-форм, которая должна быть минимум на квалитет выше точности заготовки. Точность заготовок может быть повышена калиброванием путем обжатия их после спекания в калибровочных пресс-формах. При этом средний припуск для наружного диаметра втулок из железографита пористостью от 15 до 30% составляет 0,8-1,2% диаметра, для втулок из железа от 0,8 до 1,4%. Отклонения диаметральных размеров калиброванных заготовок от соответствующих размеров матрицы или стержня калибрующей пресс-формы не превышают 5-10 мкм.