![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
ткм
.pdfГЛАВА 16. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. НАПЫЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
16.1. Основы порошковой металлургии
Порошковая металлургия – это подотрасль металлургии, включающая производство порошков металлов и изделий из них, их смесей и композиций с неметаллами. Порошки получают механическим измельчением или распылением жидких исходных металлов, высокотемпературным восстановлением и термической диссоциацией летучих соединений, электролизом и другими методами.
Изделия получают прессованием порошков с последующей термической обработкой – спеканием или термомеханической обработкой, т. е. совмещением двух процессов – прессования и спекания. В последнем случае основным процессом производства изделий, особенно из тугоплавких соединений, является метод горячего прессования, который осуществляют в графитовых формах при высоких температурах и давлении 1 500–4 000 MПа (150–400 кгс/см2). Подлинным прогрессом в области горячего прессования тугоплавких соединений явилась разработка изостатического горячего прессования в газовых средах при высоких температурах. Этот метод не требует прессформ и осуществляется при давлениях и температурах, по крайней мере, 20 ГПа (2 000 кгс/см2) и 1 600 oС соответственно. В результате спекания получаются поликристаллические материалы более или менее пористые, а при особых условиях – даже беспористые. Процесс спекания протекает без расплавления основного компонента.
Методы порошковой металлургии позволяют изготавливать изделия из материалов, получение которых другими способами невозможно. Например, из несплавляющихся металлов, композиций металлов с неметаллами, боридов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений. С помощью порошковой металлургии получают тугоплавкие и твѐрдые сплавы, пористые, фрикционные и другие материалы и изделия из них.
Порошковая металлургия позволяет повысить коэффициент использования металла и повысить производительность труда. Благодаря сокращению или полному исключению механической обработки достигается значительная экономическая эффективность. Однако, вследствие высокой стоимости прессформ, изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве. Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой формы, малых массы и размеров.
16.2. Напыление материалов
Порошкообразные материалы широко применяют в качестве исходного сырья для нанесения покрытий. Напыление покрытий газотермическими и вакуумными конденсационными методами позволяет изготавливать изделия с широким диапазоном свойств поверхности. Использование напылѐнных покрытий многоцелевого назначения позволяет резко сократить расход
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P132x1.jpg)
металлов за счѐт повышения надѐжности и долговечности в эксплуатации деталей машин, оборудования и сооружений. Важным является использование газотермических порошковых покрытий для восстановления изношенных деталей.
Обобщѐнная схема газотермического и вакуумного конденсационного напыления представлена на рис. 40, где L – дистанция напыления; φc – конус распыления; Рс – давление окружающей среды; dн – диаметр пятна напыления; ln – величина перекрытия.
В качестве источника нагрева и распыления материала широко используют плазменную струю. Обладая высокой скоростью истечения и температурой, она обеспечивает возможность напыления практически любых материалов. Плазменную струю получают различными способами. В одних случаях используют дуговой нагрев газа, в других – высокочастотный индукционный. Известны и другие способы получения плазменных струй, например, лазерным нагревом.
Основными достоинствами плазменного напыления являются: высокая производительность процесса (2–8 кг/час для плазмотронов мощностью 20–60 кВт и до 50–80 кг/час для плазмотронов мощностью 150–200 кВт); широкий диапазон видов распыляемых материалов, возможность регулирования в широких пределах качества
напылѐнных покрытий. К недостаткам метода следует отнести: невысокие значения коэффициента использования энергии, наличие пористости и других видов несплошностей, невысокая прочность покрытия.
Технологию напыления различными методами принято рассматривать по группам материалов, обладающих сходными физико-химическими свойствами. К таким группам относят: чистые металлы, металлические сплавы, соединения металлидного (интерметал-лидного) типа; металлоидные соединения и оксиды, а также бескислородные тугоплавкие соединения.
ЧАСТЬ III. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ГЛАВА 17. ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК СПОСОБОМ ЛИТЬЯ
Процесс литья заключается в заливке расплавленного металла (сплава) в литейную форму, внутренняя полость которой должна соответствовать конфигурации и размерам будущей детали.
Достоинствами литейной технологии являются универсальность, дающая возможность получать отливки сложной конфигурации из широкой номенклатуры сплавов массой от нескольких граммов до сотен тонн, а также экономичность процесса.
Недостатками можно считать пониженные прочность и пластичность по сравнению с деталями, полученными методами обработки давлением. Кроме того, значительны затраты на охрану окружающей среды и технику безопасности.
Статистические данные свидетельствуют, что масса литых деталей в машиностроении составляет примерно 50 % от массы машин и механизмов, а в станкостроении около 80 %.
17.1. Технологические основы литейного производства
Литейной формой служит конструкция, состоящая из частей, образующих рабочую полость, при заполнении которой расплавом получается отливка. Литейные формы подразделяются: по числу заливок на разовые и многократные, по материалу – на песчаные, песчано-цементные, гипсовые, металлические, из высокоогнеупорных материалов и др.
Металлические формы из чугуна и стали являются многократными, так как выдерживают тысячи заливок. Песчаные, оболочковые формы и формы, изготовляемые по выплавляемым моделям, являются разовыми.
Для изготовления разовой литейной формы необходима модель, обеспечивающая образование отпечатка в литейной форме, соответствующего наружной конфигурации и размерам отливки. Размеры модели должны быть увеличены по сравнению с размерами отливки на величину усадки и припусков на механическую обработку.
По сравнению с деталью, модель имеет выступающие части (стержневые знаки), с помощью которых стержень, оформляющий внутреннюю полость, крепится к форме. Процесс изготовления литейной формы называется формовкой. Литейная форма должна быть прочной, газопроницаемой, податливой и огнеупорной.
17.1.1.Технологические особенности литья в песчаные формы
17.1.2.Изготовление песчаных форм
Формовка бывает ручной и машинной. Ручная применяется в единичном и мелкосерийном производстве, как правило, в двух опоках по разъѐмной модели.
Технологический процесс состоит из нескольких операций: изготовление нижней полуформы, изготовление верхней полуформы, подготовка полуформ к сборке и сборка формы (рис. 41).
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P134x1.jpg)
В качестве плавильных печей, используемых в литейных цехах машиностроительных заводов, чаще всего можно встретить вагранку (для плавки чугуна), дуговую трѐхфазную электропечь ДСТ (для плавки стали), барабанную качающуюся электродуговую печь ДМК (для плавки медных сплавов) и тигельные электропечи и даже тигельные горны для плавки алюминиевых, магниевых и других сплавов.
Рис. 41. Изготовление литейной формы в двух опоках по разъѐмной модели:
1 – подмодельный щиток; 2 – нижняя часть модели; 3 – сито; 4 – модель питателя; 5 – нижняя опока; 6 – трамбовка; 7 – линейка; 8 – игла; 9 – штырь; 10
–верхняя опока; 11 – верхняя часть модели; 12 – модели выпоров; 13 – модель стояка; 14 – верхняя часть модели питателя; 15 – подъѐмник; 16 – стержень
17.1.3.Заливка форм, охлаждение, выбивка и очистка отливок
Заливку сплава в форму производят из ковшей непрерывной струѐй до наполнения литниковой чаши. Продолжительность охлаждения отливок колеблется от нескольких минут до нескольких суток в зависимости от их массы, состава сплава и свойств формовочной смеси. Затем форму разрушают и
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P135x1.jpg)
извлекают из неѐ отливку. Операция обрубки производится с помощью дисковых и ленточных пил, пневматических зубил, а также электродуговой или газовой резкой. Очистка отливок производится следующими способами:
во вращающихся барабанах за счѐт трения друг о друга деталей и чугунных «звѐздочек», загружаемых вместе с отливками;
вгидропескоструйных установках струѐй воды с песком;
вдробемѐтных барабанах и камерах струѐй чугунной или стальной
дроби.
Технологическая схема производства отливок приведена на рис. 42. Характерными видами дефектов для литья в песчаные формы являются: газовые и усадочные раковины, трещины, перекосы, разностенность, коробление, неслитины и др.
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P136x1.jpg)
Рис. 42. Технологическая схема производства отливок
Литьѐм в песчаные формы можно получать отливки из чугуна, стали, алюминиевых, цинковых и медных сплавов.
17.1.4.Специальные способы литья
17.1.5.Литьѐ в оболочковые формы
Способ получения отливок свободной заливкой расплава в оболочковые формы из термореактивных смесей называется оболочковым литьѐм.
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P137x1.jpg)
По сравнению с литьѐм в песчаные формы литьѐ в оболочковые формы даѐт большую чистоту поверхности и позволяет снизить припуск на механическую обработку в 1,5 раза.
Оболочковые формы изготовляют из песчано-смоляных смесей. В качестве связующего вещества используют пульвербакелит (фенолформальдегидная смола с добавками уротропина).
При 100–120 оС смола плавится, покрывая поверхность зѐрен песка тонкой клейкой плѐнкой. Нагрев до 200–250 оС вызывает еѐ необратимое затвердевание, что повышает прочность формы. Оболочковые формы получают с помощью нагретых металлических моделей. Каждая форма состоит из двух соединѐнных оболочковых полуформ. Технология изготовления оболочек включает следующие операции:
нагрев модельных плит до 200–
250оС;
нанесение на рабочую поверхность плиты разделительного состава (силиконовая жидкость), который предотвращает прилипание к плите формовочной смеси;
нанесение песчано-смоляной смеси на модельную плиту;
формирование и отверждение оболочки необходимой толщины;
съѐм оболочковой полуформы с модельной плиты с помощью толкателей.
Схема изготовления оболочковой формы представлена на рис. 43.
Перед заливкой формы с вертикальной плоскостью разъѐма (а также формы крупных размеров) устанавливают в контейнеры и засыпают чугунной дробью во избежание коробления.
Литьѐм в оболочковые формы можно получить отливки из любых литейных сплавов массой от 0,2 до 200 кг. Оболочковое литьѐ даѐт возможность получать тонкостенные отливки сложной формы с гладкой и чистой поверхностью. Однако сравнительно небольшие размеры (до 1 500 мм) отливок, а также выделение вредных газов, вызывающих серьѐзные заболевания, ограничивают применение этого способа.
17.1.6.Литьѐ по выплавляемым моделям
Литьѐ по выплавляемым моделям – это процесс получения отливок в неразъѐмных разовых огнеупорных формах, изготавливаемых с помощью моделей из легкоплавящихся, выжигаемых или растворяемых составов.
Отливки, получаемые этим способом, почти не отличаются по размерам от готовой детали, могут иметь весьма сложную форму. Масса отливок может
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P138x1.jpg)
быть от нескольких граммов до десятков тонн (например, Медный всадник в Санкт-Петербурге или царь-колокол в Москве).
Сущность процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям заключается в следующем. В соответствии с чертежом детали изготовляют пресс-форму (рис. 44). В неѐ шприцем запрессовывают в сметанообразном состоянии модельный состав (например, смесь парафина со стеарином). После охлаждения и затвердевания модельного состава в пресс-форме из неѐ извлекают парафино-стеариновую модель будущей отливки. Несколько таких моделей припаивают к парафино-стеариновому стояку и покрывают суспензией. Затем обсыпают песком и сушат. Эти операции повторяются 3–8 раз. Модели отливок со стояком помещают в горячую воду, где модельный состав выплавляется из сформировавшейся вокруг них многослойной оболочки. Далее оболочки сушат и прокаливают при температуре 900–1 000 оС.
а) |
|
б) |
|
|
|
в)
г)
д) |
е) |
ж) |
|
Рис. 44. Литьѐ по выплавляемым моделям:
а) изготовление моделей; б) монтаж модельных блоков; в), г) формирование на модельных блоках керамической оболочки; д) выплавливание
моделей из керамических форм; е) формовка оболочки; ж) заливка;
1 – пресс-форма; 2 – модель; 3 – модельно-литниковый блок; 4 – суспензия; 5 – псевдоожиженный слой зернистого огнеупорного материала; 6 – подача
сжатого воздуха; 7 – расплав модельной массы (или горячая вода); 8 – керамическая оболочковая форма; 9 – опорный наполнитель (кварцевый песок); 10 – печь; 11 – ковш
Прокалѐнные оболочки в горячем состоянии заформовывают в опоки и заливают сплавом. Остывшие отливки в виде «ѐлок» извлекают из опок,
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P139x1.jpg)
очищают от песка, отделяют от стояка, после чего выщелачивают остатки керамики, контролируют и отправляют на склад. Литьѐм по выплавляемым моделям можно получать отливки из любых сплавов, в том числе труднообрабатываемых, зачастую готовые для сборки с допусками на размер 0,05 мм и шероховатостью поверхностей 3–6 классов. Например, щѐткодержатели электрических двигателей, лопатки реактивных авиационных двигателей.
17.1.7.Кокильное литьѐ
Кокиль – это металлическая форма, многократно используемая для получения отливок путѐм заливки в неѐ расплава свободной струѐй.
Поскольку изготовление металлических форм является процессом трудоѐмким и дорогим, кокильное литьѐ экономически целесообразно лишь в серийном и массовом производствах. Кокили могут быть разъѐмные и вытряхные, с вертикальными и горизонтальными разъѐмами (рис. 45).
а)
|
|
в) |
|
б) |
|||
|
|
||
|
|
|
г |
д) |
|
|
|
Рис. 45. Разновидности кокилей:
а) вытряхной; б) с горизонтальной плоскостью разъѐма; в) с вертикальной плоскостью разъѐма; г) створчатый; д) створчатый с горизонтальной
плоскостью разъѐма
Для охлаждения формы предусматривается циркуляция воды по специальным каналам наружных стенок. Литьѐ в кокиль широко применяют для получения заготовок из алюминиевых, магниевых, медных и других сплавов. Отливки из чугуна и стали должны быть толстостенными и простыми, исходя из недопустимости появления отбела при литье чугуна и плохой жидкотекучести стали. Масса отливок колеблется от десятков граммов до нескольких тонн. Стойкость кокилей зависит от материала отливок и достигает сотен тысяч для легкоплавких сплавов, нескольких тысяч для чугунных и нескольких сот для стальных.
Технологический процесс кокильного литья включает следующие операции:
![](/html/2706/1215/html_FOBlMFHfJM.w80h/htmlconvd-pcUe_P140x1.jpg)
очистку рабочей поверхности кокиля от остатков отработанного покрытия, загрязнения и ржавчины;
нанесение на предварительно подогретые до 100–150 оС рабочие поверхности кокиля специальных теплоизоляционных слоѐв и противопригарных красок;
нагрев кокиля до оптимальной температуры (100–400 оС), зависящей от материала, массы и конфигурации отливки;
сборку формы; заливку формы сплавом; охлаждение;
разборку кокиля и извлечение отливки.
Металлический стержень извлекается из отливки до еѐ удаления из кокиля. Воздух и газы из рабочих полостей кокиля удаляются через естественные зазоры между элементами формы, а также через специально выполненные каналы глубиной 0,5 мм.
Сами кокили изготовляют, как правило, литьѐм в песчаные формы. Иногда применяют методы порошковой металлургии и методы электрошлакового литья.
17.1.8. Литьѐ с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл
Литьѐ под давлением. Литьѐ под давлением представляет собой процесс получения отливки путѐм введения в металлическую форму расплава под большим избыточным давлением (до 300 МПа), где он затвердевает и охлаждается. Затем происходит раскрытие прессформы и удаление отливки с помощью толкателей. Технологический процесс характеризуется коротким циклом и малым числом операций.
Машины для литья под давлением подразделяются по конструкционным и функциональным особенностям узла прессования на три типа:
схолодной (неподогреваемой) вертикальной камерой прессования;
схолодной горизонтальной камерой;
сгорячей вертикальной камерой прессования (рис. 46, 47).