Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

Для оценки величины деформации при ковке и штамповке используют коэффициент уковки, который для случая осадки выра-

жается так: Кос = F2/F1 =H/h > 1, где F1 и F2; Н и h – площадь сечения и высота поковки соответственно до ковки и после нее.

Простейшей операцией свободной ковки является осадка. При этой операции требуется, чтобы бойки перекрывали заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, что характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.

Деформирование осаживаемой заготовки не по всей высоте называется высадкой. Высадку можно осуществить при нагреве только части заготовки, например в середине, или ограничением деформации на части заготовки кольцевым инструментом.

Операция протяжки заключается в нанесении последовательных ударов и передвижении заготовки; при этом между бойками во время удара находится только часть заготовки.

Большая деформация заготовки в направлении ее ширины за счет перпендикулярного расположения оси заготовки относительно ширины бойков называется разгонкой.

Разработка технологического процесса свободной ковки включает составление чертежа поковки с назначением припусков, допусков и напусков; определение веса и размеров заготовки; выбор кузнечных операций и необходимого инструмента; выбор машинного оборудования. Кроме этого, технологией предусматривается определение режима нагрева заготовки, типа и размеров нагревательных устройств, а также состава рабочей силы и норм выработки. Результаты разработки технологического процесса ковки фиксируются в технологической карте.

Основными методами штамповки являются объемный и листовой; штамповка бывает горячей или холодной.

При горячей объемной штамповке формообразование поковок осуществляется в специальных инструментах – штампах, рабочие полости (ручьи) которых допускают течение деформируемого металла только в определенном направлении и до определенных пределов, в результате чего обеспечивается получение заданной фор-

241

мы и размеров поковки. Горячую объемную штамповку широко используют в массовом и крупносерийном производстве; в мелкосерийном производстве применяют значительно реже. Горячей объемной штамповкой изготовляют поковки различной формы и размеров из сталей, цветных металлов и сплавов.

Штамповка может быть осуществлена в открытых и закрытых штампах. При штамповке в открытых штампах поковка получается с облоем – некоторым избытком металла в исходной заготовке, вытесненным на заключительной фазе процесса штамповки в облойную канавку, состоящую из узкого зазора – «мостика» и расширенной части – «магазина».

Открытыми называют штампы, у которых вдоль всего внешнего контура штамповочного ручья сделана специальная облойная канавка. Так как облойную канавку делают очень узкой, то течение

воблой металла затруднено и возможно только при значительном давлении металла, находящегося в полости штампа. Отход металла

воблой составляет в среднем (10–20) % от массы поковки. Холодной объемной штамповкой называется процесс штамповки

воткрытых и закрытых штампах без нагрева металла – это экономичный высокопроизводительный процесс изготовления небольших точных деталей из стали и цветных металлов. Холодной объемной штамповкой получают детали с высокой точностью и чистотой поверхности, при этом металл упрочняется (наклепывается) и его механические и физические свойства изменяются.

Листовая штамповка – метод изготовления плоских и объемных тонкостенных изделий из листового материала, ленты или полосы с помощью штампов на прессах или без применения прессов (безпрессовая штамповка). Листовая штамповка может проводиться в холодном состоянии с нагревом (горячая листовая штамповка). Наиболее распространена холодная листовая штамповка из полос толщиной 0,1–5 мм. Горячая листовая штамповка производится, как правило, из полос толщиной > 5 мм.

Основные преимущества листовой штамповки: возможность изготовления прочных, жестких, тонкостенных деталей простой и сложной формы; высокая производительность, экономный расход металла и простота процесса; относительная простота механизации и автоматизации процесса обработки.

242

Технология процесса прессования. В настоящее время приме-

няют различные методы и способы прессования в том числе прямое прессование труб, прутков и профилей, обратное прессование

прутков и профилей, совмещенное прессование труб с прошивкой при закрытом контейнере, прессование профилей переменного сечения, прессование с противодавлением, вакуумное прессование.

Процесс прессования характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом вытяжки, степенью деформации и скоростью истечения металла из очка матрицы.

Коэффициент вытяжки λ определяют как отношение площади сечения контейнера Fк к площади сечения отверстий матрицы Fм.

Степень деформации определяется как отношение разности площадей контейнера и всех отверстий матрицы к площади сечения контейнера: ε = (Fк – Fм) 100/Fк %. Скорость истечения металла из очка матрицы пропорциональна коэффициенту вытяжки и может быть определена по формуле vи = Fкvп/Fм = λvп, где vп – скорость прессования, т. е. скорость движения поршня и прессшайбы. При всех процессах прессования вид напряженного состояния в очаге деформации определяется тремя главными нормальными напряжениями сжатия и у контактных поверхностей двумя главными нормальными напряжениями сжатия и одним нормальным напряжением растяжения.

Кроме того, следует учитывать, что все процессы прессования протекают при значительной неравномерности деформаций. Основным условием успешного применения прессования является правильный выбор температурно-скоростного режима с учетом свойств прессуемых металлов и сплавов.

Стальные трубы рекомендуется прессовать при максимально высоких температурах и скоростях, так как в этом случае меньше вероятность образования трещин и расслоений. Поэтому скорости прессования стальных труб достигает 5 м/с и более. Стальные трубы прессуют со смазкой, так как при отсутствии смазки горячий металл заготовки налипает на инструмент, а в местах повышенного разогрева даже приваривается к нему. В качестве смазки применяют графитовую пасту. При прессовании труб из коррозионностойкой, жаропрочной, жаростойкой и других высоколегированных

243

сталей и специальных сплавов в качестве смазки применяют стекло. Применение стекла в два–три раза уменьшает коэффициент трения по сравнению с графитовой смазкой.

Технология волочения. Волочение осуществляют главным образом в холодном состоянии. Степень деформации металла при волочении характеризуется коэффициентом вытяжки λ или коэффициентом обжатия ε, выраженными в процентах:

λ = l1/l0 = F0/F1; ε = (F0 – F1/F0),

где l0 и l1, F0 и F1 – соответственно величины длин и поперечных сечений исходной заготовки и обработанного изделия.

Обычно при волочении за один проход λ ≤ 1,3, а ε < 30 %. Большие обжатия выполняют волочением в несколько проходов.

Изготовление изделий круглого и фасонного сечений волочением позволяет получать весьма высокую точность и чистоту поверхности изделий, которую невозможно получить при прокатке. Механические свойства протягиваемого металла при волочении также значительно изменяются вследствие наклепа (упрочнения). Процесс волочения широко используют для получения проволоки диаметром от нескольких микрон до 10 мм и более, при производстве труб различных диаметров, а также для получения точных фасонных профилей. Стойкость волок при больших обжатиях и скоростях волочения порядка 50–60 м/с обеспечивает высокую производительность волочильного оборудования.

Общий технологический процесс волочения состоит из следующих операций: 1) предварительного отжига заготовок для получения мелкозернистой структуры металла и повышения его пластичности; 2) травления заготовок в подогретом растворе серной киcлоты для удаления окалины, вызывающей повышенный изноc матрицы; 3) промывки заготовок и нейтрализации травильного раствора и др.

Для уменьшения трения в очке матрицы (волоки) заготовки смазывают минеральным маслом, эмульсией, графитом. В ряде случаев, например перед волочением проволоки и тонкостенных труб из стали, проводят их омеднение погружением заготовок в слабый кислотный раствор медного купороса. Инструментом для волоче-

ния служат матрицы – волоки или фильеры, волочильные доски,

244

кольца и оправки из инструментальных сталей и твердых сплавов. При волочении тончайшей проволоки применяют алмазные волоки высокой твердости и стойкости.

Волочильные станы в зависимости от принципа работы тянущего устройства могут быть двух видов: с прямолинейным движением металла и с наматыванием обрабатываемого металла на барабан. Однократными называют волочильные станы, в которых волочение осуществляется в один проход, а многократными – станы, в которых металл подвергается непрерывному волочению в несколько проходов.

На многократных волочильных станах кратность волочения принимают от 2 до 25 в зависимости от протягиваемого металла, требуемых конечных размеров и механических свойств проволоки.

Прогрессивные виды обработки металлов давлением. К та-

ким направлениям следует отнести обработку давлением некоторых сталей и сплавов, осуществляемую в условиях сверхпластичности.

При сверхпластичности значительно уменьшается сопротивление деформации, что происходит вблизи температуры фазовых превращений и вполне определенных скоростях деформации. В этих условиях проявляется в основном межзеренная деформация и отсутствует какое-либо значительное упрочнение металла.

При волочении, горячей объемной и холодной листовой штамповке иногда применяют вибрации, благодаря чему уменьшается контактное трение, снижаются усилия деформирования, что приводит к повышению пластичности металла в процессе его обработки. Одновременно улучшается структура и качество металла изделий. Для изготовления изделий из низкопластичных и труднодеформируемых металлов и сплавов применяют гидростатическое выдавливание, при котором жидкость высокого давления давит на заготовку, установленную в контейнере с торца и боков. Для горячего выдавливания подбирают жидкую среду, которая является одновременно и нагревателем для заготовки. При достижении требуемого давления металл заготовки выдавливается через матрицу с большой скоростью.

Значительно повышается пластичность металла и при штамповке поковок выдавливанием на механических и гидравлических

245

прессах с противодавлением со стороны торца выдавливаемого изделия, т. е. со стороны, противоположной давлению пуансона, противодавление в штампе создается механической или гидравлической системой.

Для обработки сталей и сплавов с узким температурным интервалом обработки, не допускающих больших скоростей деформации, используют изотермическую штамповку. Штамп при такой штамповке изготавливают из жаропрочного сплава и устанавливают в индукционном нагревателе, обеспечивающем одинаковую и постоянную температуру заготовок и штамповых вставок. Изотермическая штамповка осуществляется на гидропрессах и улучшает структуру и свойства.

18.6. Основы порошковой металлургии

Порошковая металлургия является одной из основных технологий синтеза материалов путем смешения веществ (см. рис. 18.1), а также областью техники, охватывающей процессы получения порошков металлов, сплавов и их смесей с неметаллами и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Порошковая металлургия позволяет изготавливать:

материалы и изделия с такими составами, структурами и свойствами, какие невозможно получить традиционными металлургическими методами (литьем, обработкой давлением, термообработкой);

изделия с обычными составами, структурой и свойствами, но с существенно меньшим расходом материалов и точнее выдержанными размерами.

Исторически первой технической задачей, решенной методами порошковой металлургии, было получение ковкой платины спеканием платинового порошка. Это впервые было осуществлено в России в 1826 г. На рубеже прошлого века были получены вольфрамовая проволока для ламп накаливания и медно-графитовые щетки для электрических машин, которые нельзя было изготовить обычными методами. В конце 20-х годов прошлого века появились твердые сплавы для металлорежущего инструмента. В 50-е годы из порошков начали изготавливать подшипники и фрикционные на-

246

кладки, фильтры, высокотемпературные материалы. В настоящее время активно развивается современное направление порошковой металлургии на основе использования быстрозакаленных порошков высоколегированных жаропрочных никелевых и др. сплавов для изготовления дисков и валов газотурбинных двигателей и др. изделий.

Развитие производства порошков сделало выгодным получение из них обычных конструкционных деталей. В результате порошковая металлургия превратилась в крупнотоннажное производство, 60–65 % продукции которого – это детали общемашиностроительного назначения. Существенным достоинством порошковой металлургии является ее безотходность и, вследствие этого, экологическая чистота. Сокращаются отходы и, соответственно, загрязнение окружающей среды на последующих этапах производства, например при размерной обработке. Это делает методы порошковой металлургии еще более эффективными.

В настоящее время применяется следующая классификация порошков: грубодисперсные 200–1000 мкм, среднедисперсные 10– 200 мкм, тонкодисперсные 0,1–10 мкм и ультрадисперсные (УДП)10–100 нм. Весьма интенсивно развиваются технологии получения УДП в следующих направлениях: электролиз в двухслойной ванне с вращающимся катодом, распыление расплава (водой высокого давления, сжатым воздухом), восстановление оксидов углеродом или водородом, конденсация из паровой фазы, созданной распылением, в том числе лазерным излучением, термическое разложение соединений (карботермическое восстановление), механическое измельчение, пиролиз в плазме инертных газов и др. технологии.

При компактировании УДП в конкретные детали (изделия) необходимо учитывать их специфические свойства: УДП имеют значительную удельную поверхность (м2/г) и избыточную поверхностную энергию (Дж/г). Вследствие этого они обладают большой реакционной способностью и пирофорностью, и поэтому при работе с УДП (при компактировании и хранении) требуется защитная атмосфера. Кроме этого, с уменьшением размера частиц изменяются электрические и магнитные свойства (особенно при d < 10 нм).

247

Порошковая технология применяется для получения конструкционных (композиты, конструкционные керамики, жаропрочные сплавы) и функциональных (керамики для инструмента, антифрикционные детали, фильтры, подшипники и др.) материалов

18.6.1. Основные этапы технологии производства изделий из порошков

Основными составляющими производства порошковых изделий являются:

•производство порошков путем механического измельчения твердой фазы, диспергирования расплава (потоком инертного газа, потоком жидкости, центробежным распылением, центробежным распылением с газовым охлаждением, распылением расходуемого вращающегося электрода, закалкой отдельных капель на валках, распылением ультразвуком и др.), диспергирования твердой фазы (распылением электрической дугой, плазменным и лазерным распылением, испарением и конденсацией), восстановления химических соединений, электролизного диспергирования и другими путями;

•фракционирование, плакирование (при необходимости) и смешение порошков;

•компактирование (формование) порошков путем прессования

впресс-формах (обычного или горячего, т.е. при Т > Трекр), изостатического прессования, мундштучного формования, шликерного

формования, вибрационного уплотнения, импульсного прессования

(τ < 1 с) и др.;

•спекание полуфабриката (без давления, под давлением, реакционное, жидкофазное, электроимпульсное и др.);

•окончательная обработка детали (как правило, механическая), а при необходимости возможна пропитка пористого полуфабриката расплавом;

•модифицирование поверхности (при необходимости). Методы получения порошков в значительной степени опреде-

ляют их физические, химические и технологические свойства. Процессы подготовки порошков к формованию занимают весьма важное место в общей схеме производства из них материалов и из-

248

делий. Основными операциями при подготовке порошков к формованию являются отжиг, термомеханическая обработка, рассев (классификация) и смешивание. Формование (компактирование порошка) более чем любая другая операция лимитирует технологические возможности порошковой металлургии. Сложность происходящих при этом явлений делает необходимым проведение специальных операций по подготовке порошка к последующему уплотнению. В результате спекания порошковое тело, обладающее избыточной свободной энергией, переходит в более стабильное состояние (спеченное тело большей плотности). Движущей силой самопроизвольного процесса является разность свободных энергий исходного и конечного состояний. Конкретные пути снижения этой разности состоят в значительном уменьшении внешних и внутренних поверхностей (замкнутые поры, границы зерен), а также в существенном устранении дефектов структуры и неравновесных состояний.

18.6.2. Получение порошков

Существующие методы получения порошков подразделяют на механические и физико-химические. К механическим относятся: дробление и размол в различных мельницах; распыление расплавленного металла; механическая обработка металла получением дисперсных частиц.

При размельчении материала в различных мельницах можно получать весьма дисперсные порошки, в том числе и наноразмерные и их смеси, что успешно реализуется в технологиях механического легирования (mechanical alloying), однако КПД процесса весьма мал и позволяет получать экспериментальные и опытнопромышленные объемы материала. Методы диспергирования расплава в условиях высокоскоростного охлаждения расплава в настоящее время активно развиваются с целью получения быстрозакаленных порошков, позволяющих реализовать эффекты быстрой закалки при затвердевании расплава и обеспечивающих высокий уровень технологических и служебных свойств высоколегированных жаропрочных, коррозионно-стойких сплавов.

249

Доминирующее место в производстве порошков занимают фи- зико-химические методы. Основные из них – это восстановление оксидов и других соединений, электролиз водных растворов и расплавленных сред, диссоциация карбонилов при нагреве.

Восстановление оксидов и других соединений – один из распространенных и экономичных способов получения металлических порошков. Исходным сырьем служат оксиды и галогениды, восстановителем – либо газы (водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ и др.), либо твердый углерод в виде кокса или сажи, либо металлы (алюминий, кальций, магний, натрий).

Газообразные и твердые углеродистые восстановители приме-

няют для получения порошка железа. Различные газообразные восстановители используют для производства порошков меди, никеля, кобальта. Восстановление оксидов водородом позволяет изготавливать порошки вольфрама и молибдена. Порошки титана, циркония, тантала и ниобия получают металлотермическим способом, восстанавливая их металлами или гидридом кальция. Порошки легированных сталей и нихромов тоже получают восстановлением гидридом кальция. Для этого смесь железного порошка, закиси никеля, оксида хрома и гидрида кальция нагревают до (1100–1200)°С. Так можно получать порошки легированных сталей любого состава.

Электролизом водных растворов солей получают порошки меди, никеля, серебра, электролизом расплавов – порошки титана и тантала.

Карбонильным способом получают высокочистые, но дорогие порошки железа, никеля и кобальта. Для этого низкосортное, с примесями, сырье обрабатывают оксидом углерода (СО) при 50– 200 °С и давлении 5–10 МПа. Образуются карбонилы – соединение типа Меa (СО)b. Карбонилы железа, кобальта и никеля легкоплавки и кипят при температурах до 100°С, карбонилы хрома, молибдена и вольфрама кипят при 150–180 °С. Летучесть перечисленных карбонилов позволяет отгонкой отделять чистые карбонилы от примесей. Затем при температурах 200–300 °С карбонилы разлагают на металл и СО. Распыление карбонилов в плазматроне при высоких температурах позволяет получать наноразмерные порошки. Этим

250