4. Cпeканиe и дополнительная обработка заготовок

Для повышения прочности сформованные из порошков заготовки подвергаются спеканию. Эта операция осуществляется в печах электросопротивления или индукционных с нейтральной или защитной средой в течение 30...90 мин при температуре около 2/3 температуры плавления основного компонента. В процессе спекания происходит восстановление поверхностных оксидов, развиваются диффузионные явления, образуются новые контактные поверхности.

При необходимости повышения точности размеров и уплотнения поверхностного слоя спеченные детали подвергают калиброванию – дополнительному прессованию в стальных пресс-формах или продавливанию прутка через калиброванное отверстие в матрице.

Спеченные заготовки можно обрабатывать резанием – точением, фрезерованием, сверлением. В связи с их пористостью не следует применять смазывающе-охлаждающие жидкости, которые, проникая в поры, могут вызвать внутреннюю коррозию материала. Если выход пор на поверхность необходимо сохранить (например у вкладышей подшипников), обработку спеченных деталей нужно производить хорошо заточенным режущим инструментом.

Спеченные детали из сплавов на основе железа, титана, никеля и других металлов могут также подвергаться различным видам термической или химико-термической обработки.

При конструировании деталей из порошков следует не допускать значительной разностенности, так как вследствие большой усадки может произойти коробление детали. Необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования, а также острых углов. В местах сопряжения элементов детали типа фланец  цилиндр предусматривают закругления радиусом не менее 0,25 мм. Наружные и внутренние резьбы получают обработкой резанием.

Толщина стенок детали должна быть не менее 1 мм.

X. Технологические особенности изготовления деталей из композиционных материалов

Процесс формообразования деталей из композиционных материалов сопровождается значительной усадкой, поэтому в их конструкциях нельзя допускать значительной разностенности, которая вызывает коробление и образование трещин. Разностенность не должна превышать 1:3. В зависимости от габаритных размеров детали, используемого материала и других факторов оптимальной толщиной стенок считается 0,5…5 мм, а минимальными радиусами сопряжений  0,5…2 мм.

Отверстия в деталях получают при формообразовании (литьем, прессованием и т.д.) соответствующими стержнями, устанавливаемыми в технологической оснастке (пресс-формах). Отверстия лучше располагать не в сплошных массивах, а в специальных бобышках с тонкими стенками, что снижает усадку и силу обхвата стержней.

В деталях из композиций на основе пластмасс литьем под давлением и прессованием получают наружные и внутренние резьбы, не требующие дальнейшей обработки.

Использование металлической арматуры значительно расширяет область применения деталей из композиционных материалов (особенно на основе пластмасс и резины), Например, в электро- радиопромышленности прессованием и литьем под давлением получают электрические разъемники, колодки, панели и т.д.

Формообразование заготовок из композиционных материалов в большинстве случаев осуществляется методом копирования, т.е. форма и размеры оснастки (пресс-формы) переносятся (копируются) изготовляемой деталью. Получаемые детали, как правило, не требуют дальнейшей механической обработки.

Иногда возникает необходимость в дополнительной обработке заготовок, полученных литьем, прессованием и другими методами формообразования.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда при формообразовании нельзя получить деталь заданных размеров и формы.

Для обработки тугоплавких и жаропрочных материалов применимы электрофизические и электрохимические методы обработки аналогичных литых материалов.

Значительные сложности возникают при обработке МКМ, так как они в своем составе содержат относительно «мягкий» материал матрицы и сверхпрочные и твердые волокна и нитевидные кристаллы. Традиционные способы механической обработки оказываются непригодными. В отдельных случаях для обработки таких материалов применяют лазерные, плазменные, электроэрозионные и другие специальные методы обработки.

При обработке резанием композиционных материалов на основе полимеров происходит разрушение поверхностной смоляной пленки. Это приводит к снижению химической стойкости и повышению влагопоглощения обработанных деталей. Поэтому обработку резанием следует применять только в необходимых случаях.

По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения  напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также направленную кристаллизацию. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, экструзия, ковка, сварка взрывом, волочение, диффузионная сварка, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие листы (фольги). При получении КМ осаждением  напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. Например, пропитку или плазменное распыление используют в качестве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку  окончательной.

П ропиткой волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами получают изделия любой конфигурации без дополнительной механической обработки (рис. 107). Прочность связи компонентов определяется смачиваемостью поверхности армирующего элемента жидкой матрицей. Пропитку проводят при нормальном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбинированным методом.

Наиболее перспективный метод  это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 108).

В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получения КМ используют высокопроизводительные процессы обработки давлением: прокатку (теплую и горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горячее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В качестве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут использоваться КМ, полученные литьем или методом осаждения-напыления.

Кроме волокон в качестве армирующих элементов используют также нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристаллизацией из растворов. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремниевые волокна), композиционной (борные) и кристаллической (углеродные) структурой. Борные волокна получают осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; углеродные  карбонизацией и графитизацией полиакрилонитрильных (ПАН-В) или гидроцеллюлозных (вискозных; Гц-6) волокон. Керамические волокна (MgO, Al₂O₃, ZrO₂, TiO, SiC, Si₃N₄, B₄C) получают из расплавов, осаждением из газовой фазы или методами порошковой металлургии. Металлические волокна (проволока) изготавливают механически, электрохимически или формованием из расплава с использованием фильер.

Дисперсно-упрочненные КМ относятся к классу порошковых КМ. Упрочняющей фазой являются дисперсные частицы (оксиды, карбиды, нитриды) размером менее 0,1 мкм с объемной долей до 15 %.

Изделия из дисперсно-упрочненных КМ получают методами порошковой металлургии, горячим прессованием, горячей экструзией или горячей прокаткой.

Дисперсно-упрочненные КМ применяют для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур.

Слоистые материалы в виде листов, труб, прутков, лент, заготовок изготавливают прессованием, прокаткой, волочением, центробежным литьем, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, пайкой и склеиванием из исходных компонентов. Соединение компонентов по большой площади контакта требует при жидкофазном методе смачиваемости компонентов, при твердофазном методе  определенного давления и температуры для протекания диффузионных процессов и определенного времени выдержки.

Для соединения компонентов необходимо очистить поверхности от загрязнений, оксидов, масел. Процессу соединения в твердой фазе сопутствует пластическая деформация, которая для большинства сплавов ведется в нагретом состоянии. Соединение компонентов при диффузионной сварке, основанное на процессе диффузии, осуществляется в вакууме.

Сварка взрывом слоистых КМ позволяет соединять любые материалы с высокой прочностью, в том числе без нагрева, без вакуума за счет высоких удельных давлений в условиях косого соударения свариваемых материалов и эффекта самоочистки свариваемых поверхностей.

Выбор компонентов слоистых КМ осуществляют, исходя из их совместимости (механической и химической), в условиях изготовления и эксплуатации, Слоистые КМ применяют для изготовления биметаллического инструмента, высокопрочных и коррозионно-стойких конструкционных материалов (например, в виде листов, панелей, биметаллических труб).