Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

5.2. Прессование металлических порошков

Различают два основных вида прессования порошков: холодное и горячее.

Холодное прессование, осуществляемое при комнатной температуре, может быть прерывистым в закрытых пресс-формах (детали формуются поштучно) и непрерывным в открытых прессформах (мундштучный способ прессования, прессование скошенным пуансоном и др.), в вакууме, при атмосферном давлении, с непрерывно и мгновенно возрастающим давлением, с одно- и двусторонним приложением давления и пр. Горячее прессование, осуществляемое при температурах выше температуры рекристаллизации основного металла порошка, может быть прерывистым в закрытых пресс-формах, с постоянно увеличивающимся давлением от нуля до максимального.

Холодное прессование в закрытых пресс-формах является наиболее распространенным способом получения деталей из порошков. Этот процесс состоит из дозировки шихты, засыпки шихты в полость пресс-формы, прессования детали, выдержки детали под давлением, выталкивания готовой детали. Дозировку шихты производят по массе или объему. При дозировке по объему в качестве дозатора используют полость пресс-формы. В этом случае операции дозировки и засыпки совмещаются.

При засыпке порошка в пресс-форму следят за правильным его распределением в различных частях полости матрицы; при этом поверхность порошка в полости пресс-формы должна быть горизонтальной. После засыпки шихты пресс-форму встряхивают вручную или с помощью специального вибрационного устройства.

Процесс холодного прессования в закрытой пресс-форме осуществляется по двум схемам: одно- и двустороннего прессования.

Для холодного прессования металлокерамических изделий применяются механические и гидравлические прессы. В промышленности хорошо себя зарекомендовали механические кривошипные прессы-автоматы одно- и двустороннего прессования моделей К038, КОЗО, К032, К034, К035и К036 с усилием прессования 25– 1000 кН (2,5–100 Т) с числом ходов 18–5 в минуту и с ходом пол-

141

зуна 80–220 мм. Кроме того, в России выпускают несколько специализированных вертикальных гидравлических прессов для прессования в закрытых пресс-формах: пресс модели П814 универсального назначения с усилием прессования 5 МН (500 г), прессыавтоматы с двусторонним прессованием моделей П810 и П812 с усилием прессования 1,6–2,5 МН (160–250 г) и др.

Для прессования порошков в закрытых пресс-формах широко используют обычные кривошипные и фрикционные прессы, применяемые в кузнечно-штамповочном производстве.

Для увеличения плотности прессуемого изделия большое значение имеет выдержка брикета под максимальным давлением. Обычно выдержка достигает 30 с при прессовании крупных изделий.

После прессования и выдержки под давлением выталкивают из матрицы. В ряде случаев усилие выталкивания достигает 30–35 % и более усилия прессования.

Прессованное изделие для обеспечения требуемых физикомеханических свойств поступает на спекание, как правило, в электрических печах непрерывного или периодического действия с защитной атмосферой или в вакууме. Спекание состоит в нагреве и выдержке при температуре порядка (0,7–0,8)Тпл основного компонента спекаемого порошка.

При нагреве изделия до 100–150 °С происходит испарение адсорбированной воды, термическое расширение частиц и релаксация остаточных напряжений. Это приводит к незначительной усадке и небольшому повышению прочности материала изделия.

Нагрев до температуры 0,5Тпл обеспечивает полное протекание процесса релаксации упругих напряжений, что приводит к разрывам многих контактов и уменьшению плотности материала. Дальнейший нагрев до температуры (0,7–0,8)Тпл обеспечивает протекание процессов рекристаллизации, поверхностной диффузии и восстановления окислов, благодаря чему повышаются механические свойства и изменяются физико-химические характеристики прессованных изделий.

Горячее прессование порошков осуществляют в закрытых пресс-формах при температуре (0,5–0,8)Тпл основного компонента порошка. По существу горячее прессование представляет собой

142

совмещение в одной операции прессования и спекания. При одновременном применении давления и высокой температуры удается получить изделия 100% плотности, что практически недостижимо при раздельном ведении холодного прессования и спекания.

Горячее прессование применяют обычно для получения изделий из порошков тугоплавких соединений (боридов, силицидов, карбидов). Нагрев графитовых пресс-форм и шихты, засыпанной в полость матрицы, производят в электропечах сопротивления, помещаемых на прессах, токами высокой частоты или пропусканием электрического тока через графитовую матрицу.

Шихта, засыпанная в матрицу, сначала подвергается предварительному холодному обжатию при низких давлениях. Затем нагревают матрицу с предварительно обжатым брикетом до соответствующей температуры, после чего прессуют изделие в горячем состоянии. При этом давление прессования значительно меньше, чем при холодном прессовании. Например, при горячем прессовании изделий из железного порошка при 800 °С давление прессования составляет 160 МН/м2 (1600 Кг/см2), а при холодном прессовании

250–300 МН/м2 (2500–3000 кг/см2).

Горячее прессование осуществляется на специальных вертикальных гидравлических прессах модели ПА-803 усилием 400 кН с электронагревательной установкой мощностью 240 кВ. Скорость рабочего хода этого пресса 0,3 мм/с, длина хода ползуна 450 мм.

Прокатка металлических порошков. Сущность процесса про-

катки металлических порошков состоит в том, что порошок из бункера 3 (рис. 5.1) поступает в валки 2 прокатного стана, вращающихся в разные стороны, и спрессовывается ими в пористую ленту 1, длина которой определяется количеством поступающего порошка. При прокатке порошков получают изделия в виде полос, лент, проволоки и других профилей относительно большой длины и малой толщины с достаточно однородной плотностью.

Плотность прокатанного материала зависит от основных параметров процесса прокатки: диаметра валков, толщины ленты, угла захвата, скорости прокатки.

При прокатке лент из порошков существует сложная зависимость между толщиной ленты и ее плотностью. Толщина ленты

143

может быть изменена двумя способами: изменением зазора между валками и изменением условий захвата порошка валками. Например, при увеличении зазора между валками и обычной гравитационной подаче порошка условия захвата и количество поступающего порошка в валки почти не изменяются, но толщина ленты увеличивается, а ее плотность уменьшается. При улучшении условий захвата (например, принудительной подаче порошков или увеличении коэффициента внешнего трения за счет большей шероховатости валков) и постоянном зазоре между валками в единицу времени поступает большее сильному уплотнению ленты, т.е. к некоторому увеличению ее плотности.

Рис. 5.1. Схемы прокатки порошков: а – в вертикальном направлении; б, в, г – в горизонтальном направлении; д, е – при получении биметаллических

и многослойных лент и листов

Толщина и плотность металлокерамической ленты зависят так же от скорости прокатки порошков толщина и плотность ленты несколько уменьшаются. Процесс прокатки металлического порошка, начиная с момента поступления его в валки и выхода полосы из валков, можно разделить на три периода:

1) начальный неустановившийся период, характеризующийся переменной толщиной и плотностью полосы, выходящей из валков при их повороте на некоторый угол (например, при прокатке ленты шириной 25 мм и толщиной 0,61 мм из железного порошка на стане с диаметром валков 158 мм этот период завершается при повороте валков на угол 30°);

144

2)период, наступающий в тот момент, когда процесс вовлечения частиц порошка в зоне спрессовывания, расклинивание валиков поступающим порошком и спрессовывание частиц порошка уравновешивается сопротивлением стана упругим деформациям;

3)конечный нестационарный период, который наступает при повороте валков примерно на 180°, после чего устанавливается стационарный процесс прокатки.

На практике обычно применяют прокатку в вертикальном направлении (рис. 5.2, а), при котором валки 2 располагают в горизонтальной плоскости. На валки устанавливают бункер 3 с порошком.

Рис. 5.2. Схемы технологического процесса прокатки полос и лент из порошка: 1 – стан вертикальной прокатки; 2 – моталка; 3 – камерная печь для спекания; 4 – стан горизонтальной прокатки; 5 – проходная печь для спекания;

6 – стан горизонтальной уплотняющей прокладки

Для получения ленты или полосы заданной толщины и пористости применяют специальные устройства, регулирующие уровень порошка в бункере.

При горизонтальном направлении прокатки порошки либо принудительно поступают в валки при помощи шнекового механизма (рис. 5.2, б), либо бункер 3 с порошком устанавливают так, чтобы

145

порошок под действием собственного веса поступал в валки (рис. 5.2, в), либо, наконец, порошок поступает из бункера на несущую ленту 4 (рис. (рис. 5.2, г), пропускаемую через валки. В качестве несущей ленты (подложки) применяют тонкие листы из малоуглеродистой стали или рулоны бумаги; бумага после прокатки удаляется механически или сгорает при последующем спекании.

Более целесообразной является прокатка в вертикальном направлении, так как получаемая лента имеет большую плотность. В том случае, когда прокатываемую ленту вследствие ее хрупкости нельзя изгибать на 90°, тогда применяют прокатку в горизонтальном направлении.

Для прокатки порошков применяются специальные станы. Отличительной особенностью большинства этих станов является малое число оборотов валков (0,33–30 об/мин) и их расположение в горизонтальной плоскости (при прокатке в вертикальном направлении). Кроме того, в состав станов входят проходные печи для спекания пористых полос или лент.

Технологический процесс прокатки листов и лент из металлических порошков состоит в основном из следующих операций:

1)прокатки порошка в пористую ленту или полосу,

2)спекания пористых лент или полос,

3)уплотняющей холодной или горячей прокатки для получения беспористых лент,

4)отжига и сматывания полученных полос или лент в рулоны. Кромки пористых лент часто имеют пониженную прочность,

поэтому их обрезают перед холодной упрочняющей прокаткой. При правильной обрезке кромок спеченные пористые ленты из порошков железа, никеля и меди можно прокатывать в холодном состоянии (без промежуточных отжигов) с общей степенью деформации до 85 %. Однако на практике пористые ленты прокатывают без отжига примерно до 40 % (иногда до 30 %) суммарного обжатия, затем их отжигают и подвергают второй упрочняющей прокатке с обжатием 25–35 %.

После этого ленты отжигают в камерных или проходных печах для снятия наклепа.

146

Прокаткой порошков можно также получать биметаллические и многослойные ленты и полосы. Первые из них производят путем совместной прокатки порошка и компактной подложки (см. рис. 5.1, г), либо при вертикальной прокатке бункер 3 разделяют вертикальной перегородкой 5, которая достигает зоны деформации и разделяет его на два отсека (см. рис. 5.1, д). В каждый отсек бункера засыпают порошки различных металлов. При прокатке многослойных полос и лент бункер 3 разделяют двумя (рис. 5.1, е) и более перегородками 5 и в образованные отсеки бункера также засыпают порошки различных металлов. Полученные полосы подвергают спеканию и дополнительной упрочняющей прокатке.

По первому из описанных способов получения биметаллических полос (см. рис. 5.1, г) изготовляют тормозные стальные ленты с фрикционным металлокерамическим слоем, состоящем из смеси порошков оловянной бронзы со свинцом, железом, графитом, асбестом и кремнеземом со склеивающей добавкой (обычно каучук или канифоль, растворенная в бензоле).

При прокатке изделий из порошков значительно сокращаются отходы металла по сравнению с прокаткой слитков. Так, потери металла в окалину практически отсутствуют, а потери на обрезки кромок перед и после упрочняющей холодной прокатки составляют 8–9 %. Следовательно, выход годного равен 92–91 %. Себестоимость готовой тонкой ленты, полученной из порошка, составляют около 120–130 % себестоимости исходного сырья. Поскольку исходное сырье можно получать из металлических отходов, то изделия из порошков относительно недорогие.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные способы получения порошков.

2.Какие порошковые материалы получили наибольшее промышленное применение наиболее характерные детали (изделия) из них изготовляют?

3.Перечислите основные способы формообразования деталей из порошковых материалов?

4.Какие физические процессы протекают в заготовке при спекании?

147

Тема 6. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ

6.1.Общие сведения. Развитие сварки,

еенаправления и классификация

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагреве и пластическом деформировании. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

В разработке метода получения неразъемных соединений материалов путем их сварки ведущая роль принадлежит отечественным инженерам и ученым. В 1882 г. Н. И. Бенардос и в 1888 г. Н. Н. Славянов предложил первые практически пригодные способы сварки с использованием электрической дуги. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий:

•освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов;

•энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия. Прочность и другие свойства сварных соединений определяются свариваемостью материалов.

Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии, сварки сварные соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. В зависимости от того, удовлетворяет ли сварное соединение предъявляемым требованиям, свариваемость может быть достаточной или недостаточной.

148

Безотносительно к виду конструкции и ее назначению свариваемость материалов оценивают степенью соответствия заданных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и их склонностью к образованию таких сварочных дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы разделяют на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойствами структуры, возникающей в сварном, соединении при сварке. При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется структура, идентичная или близкая структуре соединяемых заготовок. Прочность соединения определяется внутрикристаллическими связями, и свариваемость оценивается как хорошая или удовлетворительная.

При сварке разнородных материалов в зависимости от степени их взаимной растворимости в твердом состоянии в соединении образуются твердые растворы, химические и интерметаллидные соединения или смесь зерен соединяемых материалов. В этих случаях прочность соединения обеспечивается сцеплением по границам частиц и зерен. Механические и физические свойства соединений могут существенно отличаться от свойств свариваемых материалов. При этом высока вероятность образования несплошностей в виде трещин и несплавлений. Свариваемость оценивается как ограниченная или плохая.

Широкое применение сварки объясняется ее техникоэкономическими преимуществами (снижение стоимости продукции, экономия металла и ускорение производственного процесса) по сравнению с другими способами соединения металлических частей. Например, при замене клепаных конструкций сварными можно сократить расход металла на 15–30 %. Некоторые литые тяжелые изделия можно заменять более легкими сварными. В этом случае экономия металла может достигать 40–50 % массы изделия. Сварка позволяет получать более рациональные конструкции, используя различные профили проката. Большой экономический эффект дает использование сварки при ремонтных работах по исправлению и восстановлению изношенных деталей, а также при исправлении брака литья.

149