книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

давление значительно меньше давления прессования. Последнее объясняется трением частиц друг о друга, заклиниванием их и другими факторами.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются как пластической, так и упругой деформации, в результате чего в бри­ кете возникают остаточные напряжения. После снятия давления, особенно после выпрессовки, изделия стремятся увеличить свои раз­ меры за счет этих напряжений (упругое последействие).

\Рпр

{, г/см3

7

6

5

Стремление брикета деформироваться в стороны в результате упругого последействия создает давление на стенки матриц, что вызывает необходимость приложения значительного усилия для вы­ прессовки. Величина упругого последействия в направлении прес­ сования может доходить до 5—6%, а в направлении, перпендику­ лярном прессованию,— 1—3%.

Увеличение плотности прессовок с повышением давления про­ исходит крайне неравномерно (рис. 287). Это объясняется следую­ щим. Вначале при небольших давлениях уплотнение порошка про­ исходит в основном за счет взаимного перемещения частиц. Работа прессования на этом этапе в основном заключается в преодолении сил механического трения между частицами. Уплотнение частиц происходит неравномерно ввиду различной их взаимной ориенти­ ровки, сил трения о стенки матрицы, образования «мостиков», «арок» и т. п. По мере повышения давления «мостики», «арки» раз­ рушаются, в поры между крупными частицами проникают более мелкие, происходит некоторая деформация самих частиц. При даль­ нейшем уплотнении происходит пластическая деформация кон­ тактных участков и их расширение.

Если при свободной засыпке порошка контакт между частица­ ми в основном является неметаллическим из-за наличия на их по­ верхности пленок адсорбированных газов, окислов и т. д., то при скольжении частиц эти пленки разрушаются, обнажая чистую ме­

460

таллическую контактную поверхность. При дальнейшем увеличе­ нии давления деформация частиц увеличивается, некоторые части­ цы и блоки ранее спрессованных частиц разрушаются. Описанные процессы происходят на всем протяжении прессования, однако в начальной стадии преобладает перемещение частиц друг относи­ тельно друга, в конечном — их деформация и разрушение.

Факторы, влияющие на процесс прессования. На процесс прес­ сования оказывают влияние такие факторы, как скорость пуансона, вибрация, повторное прессование и др. С увеличением скорости плотность изделий при одном и том же давлении прессования уменьшается. Вибрация и повторное прессование увеличивают плотность.

Двустороннее прессование дает более равномерную плотность прессовок. Давление прессования снижается при этом на 30—40% по сравнению с односторонним.

Уменьшение трения порошков о стенки пресс-форм достигает­ ся введением в шихту смазки (олеиновая кислота, стеарат цинка и др.). Поверхностно-активные смазки не только уменьшают меж­ частичное и внешнее трение, но, проникая в субмикроскопические трещины частиц и расклинивая их, способствуют разрушению и пластической деформации металла частиц. Все это снижает давле­ ние прессования. Введение смазки уменьшает также эффект упру­ гого последействия прессовок.

Уменьшение размеров частиц и увеличение содержания окис­ лов повышают упругое последействие. Последнее для порошков хрупких металлов, как правило, больше, чем для пластичных.

В связи с тем, что при прессовании частицы несколько ориен­ тируются и сжимающие усилия в направлении прессования выше, чем боковые давления, прессовкам присуща анизотропия свойств: механические свойства в направлении прессования выше, чем в перпендикулярном ему направлении.

Влияние различных добавок в шихту на процесс прессования сказывается по-разному и зависит от их дисперсности, твердости, смазывающих свойств и т. д. Так, небольшие добавки графита в железный порошок улучшают его прессуемость за счет уменьшения сил межчастичного трения. Однако присутствие графита увеличи­ вает упругое последействие. При значительном содержании гра­ фита прессуемость композиции «железо-}-графит» ухудшается.

Отрицательно сказываются на прессуемости добавки твердого и хрупкого кремния. Порошки меди и молибдена незначительно влияют на прессуемость железных порошков. Прессуемость порош­ ков сплавов, как правило, хуже, чем чистых металлов.

Увеличение высоты прессовки повышает неравномерность рас­ пределения плотности по высоте и требует увеличения давления.

Выдержка прессовки под давлением несколько увеличивает ее плотность (2—3%), однако в практике она нецелесообразна. До­ прессовка спеченных изделий производится для получения кон­ струкционных деталей высокой плотности при относительно малых давлениях.

461

Техника прессования. Различают одностороннее и двусторон­ нее прессование.

Одностороннее прессование (рис. 286) применяется при изго­ товлении изделий простейшей конфигурации, у которых отношение длины (высоты) к диаметру (толщине стенки или ширине изделия) не более 2. Основным недостатком этой схемы является неоднород­ ность свойств прессовок по высоте.

Двустороннее прессование (рис. 288) применяется для изделий, у которых отношение длины (высоты) к диаметру (толщине сте-

Рис. 288. Двустороннее прессование:

а— начало; б— конец; в —выпрессовка

нок) более 2 или форма изделия такова, что одностороннее прессо­ вание не обеспечивает требуемой плотности по всей высоте.

При определении размеров пресс-форм необходимо учитывать последействие брикетов, изменение размеров брикета в результате усадки при спекании, допуски на размеры изделий и припуски на калибровку (в пределах 0,25—0,50 мм), конусность полости мат­ рицы (порядка 0,5—1°) для облегчения выталкивания брикета, де­ формацию матрицы.

Высоту матрицы рассчитывают из условия, что в ней должен вместиться весь порошок, идущий на деталь. Обычно высота матри­ цы в 2,5—4 раза больше высоты прессовки.

Зазоры между сопрягаемыми деталями пресс-форм (пуансо­ ном и матрицей) должны обеспечить-выход воздуха, выдавливае­ мого из пор прессуемого порошка.

Детали пресс-форм изготавливают из высокоуглеродистых ле­

Стойкость пресс-форм колеблется от 1—2 тыс. до 25—50 тыс. прессовок в зависимости от материала пресс-форм, прессуемой шихты и плотности изделия. Пресс-формы из твердого сплава мо­ гут выдержать до 500 тыс. прессовок. •

462

Для прессования порошков используются гидравлические ff механические прессы. Первые имеют наиболее широкое распростра­ нение, так как обеспечивают плавное уплотнение со сравнительно малыми скоростями, высокое давление (25—1000 г), дают возмож­ ность осуществлять выдержку под давлением, применять простей­ шие упоры и т. д. Из механических наиболее распространены кри­ вошипные прессы, мощность которых доходит до 120 т. Они имеют рабочий пуансон, осуществляющий прессование, и два боковых пу­ ансона, выполняющих вспомогательные операции (выброс заготов-

Рис. 289. Гидростатическое (а) и мундштучное (б) прессование

ки и др.). Применяют также кривошипно-коленные, кулачковые и карусельные прессы.

Гидростатическим прессованием получают заготовки простой формы, к точности которых не предъявляются высокие требования. Порошки засыпают в эластичную оболочку и подвергают всесто­ роннему гидростатическому давлению. Прессование осуществляет­ ся в герметичных камерах (рис. 289, а), куда подается рабочая жидкость — масло, вода или глицерин — под давлением 1000— 2000 ати. Источником давления в жидкости может быть электроста­ тический разряд или взрыв.

При гидростатическом прессовании получаются прессовки с почти равномерной плотностью по всему объему. Этим методом прессуют заготовки весом до 300 кг и различной формы (цилиндры, шары, трубы, тигли и др.), а также обрабатывают труднодеформи­ руемые материалы. Например, в свинцовых оболочках под давле­ нием 1300 ати прессуют вольфрамовые трубки.

Формообразование металлических порошков может осущест­ вляться без приложения внешнего давления. Одним из методов та­ кого формообразования является шликерное литье. Сущность его заключается в том, что порошковая шихта суспензируется и жид­ кая пульпа выливается в гипсовую форму (CaS04 • 2НгО), которая адсорбирует жидкость. Подсохшая заготовка извлекается из фор­ мы, проходит окончательную сушку, а затем спекается.

463

Шликерное литье эффективно используется для получения из­ делий из хрупких порошков, различных карбидов, силицидов, нит­ ридов, а также хрома, кремния и др. В качестве жидкости для при­ готовления суспензии применяется вода с небольшими добавками соляной кислоты, хлорного железа, альгината аммония и др. Раз­ мер частиц порошка должен быть не более 5—10 мк. Весовое со­ держание порошков в суспензиях 40—70%- Плотность прессовки, извлекаемой из гипсовой формы, составляет 30—60%- Связь меж­ ду частицами в пей обусловлена механическим зацеплением.

Рис. 290. Прокатка порошков

Мундштучное прессование (рис. 289, б) ведется по двум вари­ антам.

1. В матрице обжимаются и продавливаются через отверстие мундштука смеси из порошков со связками (пластификаторами) — раствором бакелита, парафина и др. Роль пластификатора — свя­ зывание частиц и создание благоприятных условий для истечения формуемой массы через отверстие мундштука.

2. Прессованию подвергаются нагретые заготовки непосредст­ венно из порошков или полученные предварительным прессова­ нием, прессованием и спеканием или горячим прессованием. При этом достигается 100%-ная плотность.

Мундштучным прессованием можно получать из труднопрессуемых порошков изделия большой длины с равномерной плот­ ностью (прутки, трубки, уголки и др.) из таких материалов, как вольфрам, бериллий, торий, уран, цирконий и т. д.

Прокатка металлических порошков как прогрессивная техно­ логия получения металлокерамических материалов в виде лент, полос, проволоки и др. распространена в различных областях тех­ ники. Непрерывность процесса обусловливает высокую производи­ тельность, легкость автоматизации и относительно небольшие уста­ новочные мощности.

Прокатку производят в вертикальном (рис. 290, а), горизон­ тальном (рис. 290, б, в) и наклонном (рис. 290, г) направлениях. Наилучшие условия вовлечения порошка в очаг деформации и формообразования из пего ленты создаются при вертикальной про­ катке. Недостатком этого способа является перегиб на 90° ленты, выходящей из валков, что недопустимо при прокатке хрупких ма­ териалов или высокопористых лент.

464

Прокатка порошков ведется без смазки. Порошки сначала про­ катываются в обжимных валках большого диаметра, затем порис­ тый прокат спекается и поступает в чистовую клеть. Чистовых кле­ тей с промежуточными печами, имеющими восстановительную ат­ мосферу, бывает до пяти.

Толщина лент, прокатываемых непосредственно из порошков, увеличивается с увеличением диаметра валков и уменьшается с уве­ личением скорости прокатки.

§ 5. Спекание металлокерамических изделий

Назначение и сущность процесса. Спекание состоит в нагреве и выдержке прессовок при температурах, составляющих 0,6— 0,8 Тпл основного компонента спекаемой композиции (Гцл — абсо­ лютная температура плавления). Процесс проводится в восстано­ вительной либо нейтральной атмосфере или в вакууме, а иногда в атмосфере воздуха. Обычно он сопровождается некоторым уплот­ нением прессовок, что вызывает их усадку.

Различают два случая спекания — без жидкой фазы и в ее присутствии. В первом случае спекание производится при темпера­ туре ниже температуры плавления любого компонента смеси, во втором — при температуре, превышающей температуру плавления одного или нескольких компонентов или их химических соединений, эвтектик, твердых растворов.

Необходимость спекания обусловлена тем, что только прессо­ ванием невозможно получить изделия с высокими механическими свойствами, так как поверхность частиц порошка покрыта окислами и загрязнениями, которые препятствуют возникновению металли­ ческих контактов, а также из-за упругих свойств металла частиц, приводящих при снятии внешнего давления к уменьшению кон­ тактных участков между частицами.

Спекание обеспечивает получение металлических контактов между частицами порошка и прочности, равной прочности сцепле­ ния кристаллов компактных металлов.

Влияние температуры спекания ңа свойства прессованных из­ делий тесно связано с давлением. прессования: плотность спечен­ ных изделий возрастает с повышением температуры тем быстрее, чем ниже было давление прессования.

При спекании изделий из тонких порошков усадка значитель­ но больше, чем при спекании прессовок из грубых порошков.

Горячее прессование. Этот процесс совмещает прессование и спекание. Благодаря нагреву уплотнение происходит интенсивнее, чем при обычном прессовании и спекании, и прессовки получают­ ся практически беспористыми. Обрабатывают, этим методом труд­ нодеформируемые порошки (бориды, силициды, карбиды и др.).

Горячее прессование производится в защитной или восстанови­ тельной атмосфере, в вакууме, иногда на воздухе давлением значи­ тельно ниже обычного. Приложение нагрузки и уплотнение порош­ ков обычно производятся после их нагрева до требуемой темпера­ туры.

На плотность прессовок влияет температура, при которой сни­ мается нагрузка. Для получения большой плотности рекомендует­ ся снимать нагрузку не сразу, а в процессе охлаждения или после него. При горячем прессовании обычно используется смазка — раствор коллоидного графита в спирте. В связи со сложностью вы­ полнения одновременного нагрева и прессования в восстановитель­ ной или защитной атмосфере этот процесс имеет ограниченное распространение.

Факторы, влияющие на процесс спекания: природа металла, его структура, аллотропические превращения, форма и состояние поверхности частиц порошка, примеси, а также дефекты в кристал­ лических решетках.

Природа металла определяет в основном технологию спекания (температуру, среду, время и т. д.) и прочность изделия.

Влияние фазовых превращений в металле можно проиллюстри­ ровать следующим примером. При 910° у железных порошков про­ исходит превращение Fe-a —»• Fe-y, что приводит к увеличению плот­ ности прессовок.

Увеличение размеров частиц и сглаживание их поверхностей уменьшают усадку и скорость спекания. При температуре спекания, близкой к температуре плавления порошка, уравниваются величи­ ны усадки у изделий из крупных и мелких порошков.

Примеси в большинстве случаев при спекании легко удаляют­ ся, однако они могут тормозить поверхностную диффузию. Выде­

прочность спеченных изделий. Однако это повышение происходит только до толщины пленок окислов 400—-600А. При большей толщи­ не прочность после спекания снижается. Особенно интенсивно про­ исходит повышение прочности брикетов из окисленных порошков при спекании в восстановительной атмосфере. Восстановительная среда химически взаимодействует с окислами, в результате чего по­ вышается активность атомов восстановленного металла.

При спекании в вакууме происходит дегазация металла, что улучшает пластичность поверхностных слоев частиц.

Печи для спекания. Особенностью печей для спекания метал­ локерамических изделий является необходимость специальных, часто взрывоопасных атмосфер. Иногда применяются обычные тер­ мические печи (электропечи), в которые загружаются ящики со спекаемыми прессовками. Требуемая атмосфера внутри ящиков создается применением специальных засыпок. Лучшие результаты получаются при принудительной подаче в ящик-муфель водорода или окиси углерода. Для спекания также используются расплав­ ленные соли и металлы, куда погружаются прессовки. Этот способ пригоден при спекании высокоплотных прессовок, в поры которых не могут проникать расплавленные соли.

В массовом и крупносерийном производстве используются спе­ циальные печи (периодического и непрерывного действия) с тре­

466

буемой атмосферой. Нагревательными элементами в печах служат нихром, силиты (карбиды кремния), силицид молибдена, воль­ фрам, молибден и тантал. Последний в защитной атмосфере мо­ жет работать при температурах до 2400°. Для спекания использу­ ются также индукционные печи.

Дополнительная обработка спеченных изделий. Спеченные из­ делия часто подвергаются дополнительной обработке, целью которой может быть повышение физико-химических свойств, защита поверхности от коррозии, нанесение декоративных покрытий, при­ дание изделиям окончательных размеров и форм.

Повторное прессование с последующим спеканием позволяет повысить плотность, прочность и пластичность изделий. Обычно давление при повторном прессовании близко к давлению при пер­ вичном и часто производится в тех же пресс-формах. Иногда после повторного прессования не производят отжига.

Двукратное прессование при одном и том же давлении с про­ межуточным спеканием вызывает такое же уплотнение прессовки, как однократное прессование под вдвое большим давлением с по­ следующим спеканием.

Пропитка маслом производится для улучшения антифрикци­ онных свойств и придания деталям свойства самосмазывания. Часто в масло вводят коллоидный графит. Пропитка обычно вы­ полняется погружением пористых деталей в масляную ванну, разогретую до температуры 70— 140°. Длительность процесса от 15 мин до 2 ч. Степень заполнения пор маслом составляет 90—95%. Более качественное заполнение пор получается при пропитке в. вакууме. Имеются положительные опыты пропитки в ультразву­ ковом поле.

Терническая и химико-термическая обработка металлокерами­ ческих изделий характеризуется рядом особенностей. Присутствие пор делает детали чувствительными к окислению при нагреве и по­ падании закалочной жидкости в поры. Поэтому нагрев и перенос в закалочную жидкость производятся в защитной атмосфере. Та­ кие условия не обязательны для высокоплотных деталей (4—6 % пористости). Присутствие пор может быть причиной появления за­ калочных трещин.

Железные порошки, полученные электролизом и восстановле­ нием, имеют пониженное содержание марганца и кремния, вслед­ ствие чего их критическая скорость охлаждения при закалке повы­ шается. Кроме того, пористые изделия имеют пониженную тепло­ проводность, 4^0 также затрудняет их закалку.

Изделия из железного порошка часто подвергаются науглеро­ живанию методами химико-термической обработки путем нагрева

ивыдержки в ящике с карбюризаторами или в науглероживающей атмосфере.

Для повышения износостойкости металлокерамических деталей

иуменьшения коэффициента трения применяется сульфидирование (насыщение поверхностного слоя серой) путем реакции между по­

верхностью металла и жидкой серой или соединениями, содержа­

щими серу. Для сульфидирования достаточен нагрев до 200—300°. При калибровании металлокерамических деталей можно полу­ чить точность размеров до 0,01—0,005 мм. Перед калиброванием из­ делия должны иметь размеры на 0,5—1% больше окончательных. Иногда после этой операции применяется дополнительный отжиг или спекание. После калибрования происходит упругий возврат,

величина которого доходит до 0,1%.

Металлокерамические детали плотностью более 95% обрабаты­ ваются металлорежущими инструментами так же, как и компакт­ ные. Для обработки пористых деталей необходимо применять остро заточенный режущий инструмент, большие скорости резания и ма­ лые подачи. Применять охлаждающую эмульсию на водной основе при обработке изделий с пористостью более 10% не рекомендуется. Предохранить от коррозии в этом случае может предварительная пропитка маслом.

§ 6. Металлокерамические материалы и изделия

Компактные материалы. Широкое распространение в машино­ строении и приборостроении получают детали общего назначения, изготойленпые из порошк'ов железа, меди, никеля, бронзы, легиро­ ванной стали и др. Детали получают как простейшей формы (втул­ ки, пальцы, гайки, державки резцов), так и сложной (шестерни, со­ бачки храповиков, пресс-формы, коллекторные пластины) разме­ ром от 2 до 500 мм и более. Экономический эффект от внедрения этих деталей составляет от 500 до 1400 руб. на тонну. Производст­ во деталей сложной конфигурации прессованием из порошков дает эффект за счет высокой производительности, отсутствия операций резания и экономии материала и электроэнергии. При производст­ ве деталей общего назначения часто используют отходы производ­ ства: стружку, облой, опилки и др.

Металлокерамические детали общего назначения должны об­ ладать определенной прочностью и износостойкостью. Поэтому их технология строится из расчета получения наименьшей пористости (0,5—3%). Изнашиваемая поверхность часто покрывается хромом, вольфрамом, танталом, титаном и другими металлами методами гальванизации, распыления или диффузионного насыщения. Осаж­ денные металлы образуют на поверхности слой карбидов толщиной

10 мк.

Обычно для изготовления компактных деталей применяют сме­ си железного порошка с графитом (не более 1%), медным порош­ ком и др. Такая шихта после спекания дает структуру пластинчато­ го перлита или твердого раствора медіі в железе. Прессование же­ лезных порошков или смесей на железной основе производится под давлением 6—8 Т/см2.

Перспективно производство дисперсно-упрочненных сплавов, отличающихся повышенной жаропрочностью. Основой этих спла­ вов является металлическая матрица, в которой равномерно рас­

468

пределены дисперсные окислы. В качестве упрочняющих окислов используются АІ2О3, ЭіОг, Zr02, TI1O2 и др. Степень упрочнения уве­ личивается с уменьшением упрочняющих частиц и расстояния меж­ ду ними, а также с увеличением разницы в температурах плавле­ ния основного металла и упрочняющих окислов.

Наиболее широкую известность приобрел материал этого типа САП (спеченная алюминиевая пудра), полученный прессованием

лами являются твердые сплавы, получаемые из порошков карбида вольфрама, титана, ванадия, хрома, тантала и ниобия, смешанных со связующими порошками кобальта или никеля. Технология изго­ товления твердых сплавов заключается в приготовлении требуемой шихты, прессовании и двукратном спекании. Прессование произво­ дится под давлением 600—2000 кГ/см2 до пористости 30—40%.

Процесс спекания состоит из трех этапов. На первом этапе изделия нагревают до 900—1150°. При этом частицы порошка схва­ тываются, восстанавливаются окислы, происходит некоторая усад­ ка. После первого спекания материал приобретает прочность, но его еще можно обрабатывать абразивным и твердосплавным ин­ струментом.

Второй этап заключается в нагреве до температуры 1400— 1500° и выдержке в защитной атмосфере. При этом образуется жид­ кая фаза связующего элемента, которая смачивает карбиды и об­ легчает сварку их отдельных зерен. В период повторного спекания объемная усадка достигает 40%.

Третьим этапом является медленное охлаждение до 700°.

Для оснащения режущего инструмента, изготовления фильер, пуансонов и матриц применяют вольфрамо-кобальтовые, титано- вольфрамо-кобальтовые и титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые

В последнее время нашли применение керамико-металлические материалы — керметы, получаемые прессованием и спеканием кера­ мических порошков (тугоплавкие окислы, силикаты ит. д.) с метал­ лическими. Металлической связкой в керметах служат^порошки же­ леза, никеля, хрома, вольфрама, марганца и др. Эти материалы от­ личаются длительной жаропрочностью и износостойкостью. Их используют для изготовления лопаток турбин, сопел, деталей реак-

469