Технологический процесс изготовления изделий из металлических порошков
В порошковой металлургии используют порошки, имеющие размеры частиц в пределах 0,1 мкм - 0.5 мм. Гранулометрический состав определяют с помощью набора сит, имеющих различное число отверстий на единице площади.
Порошки характеризуются не только размерами частиц, но и их формой. Различают осколочную, плоскую, тарельчатую, дендритную и сферическую формы. Форма определяется способом и условиями изготовления порошка. При методах восстановления и механическом дроблении получаются частицы осколочной формы, при распылении и термической диссоциации - сферической и т. д.
С формой и размерами частиц тесно связана удельная поверхность — отношение площади поверхности частиц к их массе. Удельная поверхность имеет особое значение для оценки взаимодействия различных порошков.
Для процесса изготовления изделий важное значение имеют такие свойства, как текучесть и прессуемость порошков. Текучесть определяется как количество порошка, протекающего в единицу времени через установленное отверстие. Этот показатель особенно важен для автоматизированного производства. Прессуемость определяется экспериментально и показывает способность порошка к уплотнению и сцеплению частиц.
Технологический процесс изготовления изделий из металлических порошков состоит из следующих операций: подготовка смеси для формования, формование заготовок или изделий, спекание заготовок или изделий.
Подготовка смесизаключается в перемешивании порошков металлов, химических соединений и введении в ряде случаев пластификаторов. Пластификаторы в виде растворов различных органических соединений (парафин, стеарин, каучук и др.) вводят для улучшения прессуемости порошков. Для растворов используют летучие растворители, которые удаляются из смеси при сушке.
В результате операции подготовки исходные компоненты должны быть равномерно распределены по всему объему смеси. Смешивание происходит во вращающихся барабанах.
Формование заготовокили изделий из металлических порошков осуществятся путем холодного прессования в металлических формах, мундштучного или холодной прокаткой.
Схема прессования в металлической форме приведена на рис.30.
Рис.30.Схема прессования в металлической форме: а-одностороннее;
б-двустороннее; 1-пуансон, 2-матрица, 3-порошок, 4-вкладыш,
5-второй пуансон
Холодное прессование порошков осуществляется под большим давлением (30—1000 МПа). Нижний предел давления используется для мягких металлов и сплавов. Плотность отпрессованного изделия зависит главным образом от давления, свойств металлического порошка и отношения высоты изделия к диаметру. Но даже при очень высоких давлениях за счет пористости не удается получить компактного металла. Одним из недостатков прессования в металлических формах является неравномерная плотность изделий по высоте и сечению, что объясняется влиянием сил трения зерен порошка о стенки пресс-формы. Для уменьшения неоднородности свойств используют двустороннее прессование (рис.30,б), а для деталей сложной формы — прессование с несколькими пуансонами с независимым перемещением. Прессованием получают небольшие изделия с массой не более 1,5 кг.
Для получения изделий с большим отношением длины к диаметру применяют прессование выдавливанием (рис.31). При этом виде прессования в смесь добавляют пластификатор в количестве 10%, получая пластичную массу.
Рис.31. Схема мундштучного прессования: 1-пуансон, 2-контейнер,
3-порошок, 4-матрица
Рис.32. Схема гидростатического прессования: 1-цилиндр высокого
давления, 2-эластичная оболочка, 3-порошок, 4-жидкость,
5-трубопрод к насосу высокого давления
Пластичная масса выдавливается через матрицу, которая может быть любой сложности. С применением иглы можно получить полые профили. Изделия, получаемые мундштучным прессованием, имеют равномерную плотность, их длина может достигать 300 мм.
Гидростатическое прессование используют для изготовления заготовок с большой массой (рис.32). Металлический порошок засыпают в герметичную эластичную оболочку, которую помещают в цилиндр высокого давления, где подвергают всестороннему сжатою жидкостью. Для получения заготовок с массой до 0.5 т и длиной до 1м резиновую оболочку помещают в перфорированную металлическую гильзу. Давление жидкости при этом способе составляет 80—3000 мПа.
При гидростатическом прессовании не требуются дорогостоящие пресс-формы, достигается равномерное и всестороннее сжатие порошка, что обеспечивает однородную плотность заготовок или изделий. Для достижения точных размеров заготовки должны подвергаться дополнительной
обработке.
Холодной прокаткой из порошков получают ленту, листы, различные профильные и многослойные материалы. Схема прокатки ленты приведена на рис.33. Из бункера 1 порошок 2 под действием силы тяжести поступает в пространство между валиками и обжимается ими, при этом объем порошка уменьшается в несколько раз. Обычно толщина прокатываемой ленты составляет 1% диаметра валка. Прокатка порошков осуществляется при небольшой скорости вращения валков в пределах 0.5-50 об/мин. Валки обычно располагаются в горизонтальной плоскости; при расположении последних в вертикальной плоскости требуется приспособление для подачи порошка в виде наклонного желоба или шнека. Прокаткой можно получать двух- и трехслойные ленты из различных материалов.
Рис.33. Схема прокатки порошка: 1-бункер, 2-порошок, 3-валки,
4-направляющая, 5-ролики, 6-прокатанная лента
Шликерное литьеиспользуют для изготовления изделий небольших размеров сложной формы. Шликер представляет собой смесь металлического порошка с жидкостью (вода, расплавленный парафин и др.). Основная часть жидкости легко удаляется после литья в форму под давлением. Для полного удаления жидкости проводят нагрев изделия в вакууме.
Спекание - весьма ответственная операция технологического процесса. В результате спекания отформованные заготовки и изделия приобретают требуемые физико-механические свойства.
При спекании происходят сложные физические и физико-химические процессы - рекристаллизация, самодиффузия, восстановление поверхностных оксидов и др. Механическая связь между частицами, образовавшаяся в процессе формования, заменяется межатомной, за счет чего изделие приобретает необходимую прочность. В процессе спекания происходит усадка, уменьшается пористость и возрастает плотность материала.
Спекание изделий из однородных металлических порошков происходит при температуре, составляющей 70-90 % температуры плавления металла. Например, температура спекания изделий из медного порошка 840—890 0С.
Спекание изделий из смеси нескольких металлических порошков можно производить в твердой фазе или при наличии твердой и жидкой фаз. В первом случае температура спекания несколько ниже температуры наиболее легкоплавкого металла, во втором - выше температуры наиболее легкоплавкого металла, но ниже температуры плавления основного компонента.
Второй случай на практике применим наиболее часто. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме, С повышением температуры и продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность и улучшаются контакты между зернами. Для каждого металла или сплава характерна определенная , наиболее благоприятная температура, при которой происходит резкое увеличение плотности и прочности изделий, дальнейшее повышение температуры приводит к ухудшению их свойств.
Для получения необходимых размеров металлокерамические изделия подвергают калибровке, обработке резанием, химико-термической обработке (азотирование, хромирование, цианирование и др.), повторному прессованию.
Прессование и прокатку можно производить в горячем состоянии. При этом операции формования и спекания совмещают. Во избежание окисления эти операции следует выполнять в защитной атмосфере или вакууме. Недостатками горячего прессования и прокатки являются их сложность и малая производительность.