Изготовление деталей из металлических порошков (металлокерамика)

Металлокерамика относится к области порошковой металлургии. Эксплуатационные свойства деталей, изготовленных металлокерамикой на много выше, чем у деталей литых, штампованных, прокатанных и изготовленных другими методами. Это связанно с тем, что порошки при спекании образуют прочную монолитную деталь. Основными преимуществами процесса являются такие, что по сравнению с другими видами изготовления здесь можно получить детали:

а) со специальными, наперед заданными физико-механическими свойствами;

&)і из композиций порошков не смешивающихся в расплавленном виде и не образующих твердых растворов (сплавов);

в) из композиций металлов и неметаллов;

г) со специфическими свойствами (по проводимости феррита по твердости - сверхтвердые по пористости - фильтры или поглотители газов и жидкостей и др.);

д) меньшего удельного веса, готовые и не требующие дополнительной обработки, высокой технологичности, высокой точности, высокого качества поверхности при значительной сложности формы;

е) с высоким коэффициентом использования материала - 0,9-0,98.

Основными недостатками металлокерамики являются следующие:

а)специфичность технологического процесса требующего применения специального дорогостоящего оборудования (мельницы, бегуны, прессы, печи и др.);

б)металлокерамика требует применения больших давлений при прессовании, высоких температур при спекании, Что связанно со значительными затратами энергии;

в)технологические циклы не синхронизируемые при автоматизации во времени, так как продолжительность процессов разная (например прессование и спекание);

г) не всегда выдерживаются санитарные повышенные требования.

Технология изготовления металлокерамических деталей Состоит из нескольких

этапов. Рассмотрим подробнее основные этапы изготовления металлокерамических деталей.

Этап 1. Получение порошков отдельных компонентов производится путем помола на бегунах или на шаровых мельницах, распылением жидкого компонента в струе сжатого воздуха, электролизом, химическим осаждением и другими способами. После изготовления порошок просеивают через сита чем создаётся определенная грануляция составляющих компонентов. На рис. 18.1 показана схема бегунов (кожух снят) для помола компонентов. На основании 1 крепятся стойки 2 на осях которых вращаются металлические цилиндры 4, которые раздавливают попадающиеся под них куски размалываемого материала 6 в порошок. Для работы установки включается электродвигатель 5, который через коническую зубчатую передачу приводит в движение чашу 3, которая вращается на роликах 7. Кроме рассмотренной схемы бегунов на приборостроительных заводах применяют и другие схемы данных устройств.

Схема шаровой мельницы показана на рисунке 18.2. Она состоит из металлического барабана, который устанавливается на оси стойки. Барабан приводится во вращение электродвигателем 5 и приводом 4. Размалываемый материал загружают в загрузочный люк 2, а готовый порошок выгружают через люк 3. Около 1/4 объема барабана загружают материалами размалываемых компонентов и металлическими шарами диаметром от 20 до 100 мм. При вращении цилиндра шары поднимаются и падают вниз, дробя и истирая материал. Процесс измельчения может быть сухим или мокрым - в среде жидкости (вода, спирт, бензин и т.п.). Помол в шаровых мельницах может доводится до тонкости равной 50-60 мкм.

более тонкое измельчение можно осуществить на вибрационных мельницах или измельчением с помощью ультразвука. Большое число колебаний сообщаемое шарам и их сложное движение во всех направлениях создает усталостный режим разрушения материала до размера зерна (5-10 мкм). На рис. 18.3 показана схема вибрационной мельницы, которая устанавливается на фундаменте1, на котором монтируется камера 5 на пружинах 2. Камера 5 работает в среде холодной воды подаваемой по трубопроводу 9 в водяную рубашку 6. Установка работает от электродвигателя 8 через балансиры 3 движение получает вал 7. Помол осуществляется стальными закаленными шарами диаметром 20-40 мм, при весовом соотношёнии компонентов и шаров 1:3, при степени заполнения рабочего пространства камеры до 60% ее объема. Амплитуда колебаний равна 2-2,5 мм, частота 25-30 Гц. Ультразвуковая мельница работает аналогично с той лишь разницей, что вместо механического привода камеры применяется ультразвуковой.

Распыление расплавленного материала в струе сжатого воздуха или нейтрального газа приводится на установке, где в качестве рабочего инструмента используется пистолет (рис. 18.4). Ствол пистолета состоит из трех металлических трубок, вставленных одна в другую. В камеру плавления по трубке меньшего диаметра подается материал компонента 2. По трубке среднего диаметра 4 поступает горючая смесь газов: водорода и кислорода или ацетилена и кислорода. Канал 3 служит для подачи нейтрального газа (азот, углекислый газ и др.). Размер отверстия в насадке а также режимы подвода газов определяют величину зерна распыленного порошка.

Этап 2. Отжиг металлических порошков производится для снятия внутренних напряжений (наклепа) после размола. Эта операция производится в защитной или восстановительной среде при температуре спекания.

Этап 3. Дозирование компонентов порошкообразных материалов производится по весу или по объему соответственно весовое или объемное дозирование. Перемешивание компонентов производится в барабанах, геометрическая ось которых находится под углом к оси вращения. Интенсивное перемешивание порошковых масс равномерно распределяет их по объему, а добавление пластификаторов облегчает процесс прессования.

Этап 4. Первичное прессование композиций в пресс-формах аналогичных пресс- форме для пластмассовых деталей. Процесс производится на гидравлических прессах при давлении (0,5-1,0)*10³ мПа или (5-10)* 10⁸ Н/м². Основное условие получить, более равномерную плотность заготовки. Частицы порошкового материала перемещаются при прессовании с большим трением, поэтому большая плотность получается у пуасона. Для облегчения перемещения частиц в композицию добавляют пластификаторы (парафин, поливиниловый спирт и др.), кроме того это регулируют конструкцией пресс-формы применяя пресс-формы двухстороннего действия.

Этап 5. Первичное спекание производится в пламенных или электрических печах в среде защитного газа при температуре равной 0,75 температуры окончательного 1 спекания. Целью этого спекания возможность деформирования при окончательном Я прессовании или проведения процесса резания для предания точной формы и размеров. Я

Этап 6. Вторичное прессование производится аналогично первичному в пресс- формах с увеличенными размерами формующего пространства, величина которого учитывает усадку детали при спекании. Кроме прессования при изготовлении деталей металлокерамикой применяют метод выдавливания через мундштук. Процесс мундштучного прессования (выдавливания) применяется для получения деталей удлиненной формы - трубок, стержней, колодок, каркасов и т.п. Этот процесс позволяет механизировать и автоматизировать процесс получения готовых полуфабрикатов за счет совмещения ранее рассмотренных операций. На вакуум мялке (рис. 18.5) производится дробление, гранулирование, удаление воздуха из компонентов и выдавливание определенной формы деталей через мундштук. Вакуум мялка состоит из станины I, загрузочной камеры 3, дробилки загрузочной камеры в виде валков 4, двух архимедовых винтов с переменным шагом 5, работающих в камере гранулирования и в камере отсоса воздуха через трубопровод 6. Работает установка от электродвигателя 2 при включении которого валки 4 дробят материал, винт 5 продавливает его через решетку 7 гранулирует его, а в вакуумной камере 8 проходит отсос воздуха и при продавливании через мундштук 9, порошковая масса будет уже с малым удельным весом пористости.

На рис. 18.6 показана конструкция пресс-формы для мундштучного прессования при изготовлении стержней (а), трубок (б) и приспособление для подсушивания тонкостенных трубок (в). Здесь также совмещены несколько операций. Пресс-форма состоит из основания 1, цилиндра 2, поршня 3, мундштука 5. Металлокерамическая масса 4 загружается в цилиндр 2 и выдавливается пуансоном 3 через мундштук 5 в виде стержня 6, трубки 9. При формировании трубки 9 для удержания сердечника 8, применена рамка 7. Приспособление для сушки представляет собой термоизоляционное основание 10 с электрическим нагревателем 11. Для резки трубок на части служит нож 12.

Этап 7. Вторичное спекание производится в защитной среде (водород, окись азота и т.д.) при температуре равной 2/3 температуры абсолютной точки плавления однокомпонентного материала или при температуре на (323-333)^оК более высокой, чем точка плавления наиболее легкоплавкого компонента. За счет диффузии происходит прочное соединение частиц материала с изменением физических свойств материалов и образованием монолитного прочного изделия.

Этап 8. Доводка до точных размеров калиброванием в специальных пресс-формах при давлении до 0,1 * 10⁴ мПа (1 * 10⁹ кг/м²) при этом точность увеличивается с ГТ11 -13 до 1Т6-8. Кроме калибрования применяют обработку резанием твердосплавным инструментом, шлифование или обработку алмазным режущим инструментом.

Этап 9. Покрытия металлокерамических деталей - гальванические. В целях повышения поверхностной твердости часто применяют цементирование.