2.3.2 Свойства металлических порошков
Химические свойства металлических порошков в основном зависят от исходного материала.
Физические свойства металлических порошков предопределяют: размеры, форма, микротвердость, плотность частиц и тип кристаллической решетки металла частиц.
К технологическим свойствам относятся:
- текучесть;
- прессуемость (способность металлических порошков образовывать под давлением изделие, имеющее заданные размеры, форму и плотность);
- формуемость (способность сохранять приданные им под давлением формы в заданном интервале значений пористости);
- уплотняемость (способность к уменьшению объема под воздействием давления или вибрации);
- спекаемость (прочность сцепления частиц как результат термической обработки прессованных заготовок).
2.3.3 Формование металлических порошков
Цель формования – придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделия.
Формование включает этапы: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование, дегазацию и затем формование.
Отжиг необходим для повышения пластичности и прессуемости порошка. Нагрев осуществляют в защитной (инертной, восстановительной) атмосфере или в вакууме при температуре, равной (0,4…0,6) tпл, оС.
Классификация – сортировка по размеру осуществляется в ситах (для крупных порошков размером до 50 мкм) или методами воздушной сепарации (для порошков мельче 50 мкм).
Приготовление смеси. Перед смешением в металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин и др.), облегчающие процесс прессования; легкоплавкие металлы, улучшающие процесс спекания; летучие вещества для получения деталей с заданной пористостью. Подготовленные смеси перемешивают в шаровых мельницах и смесителях.
Дозирование порошковой смеси в пресс-форму производится весовым или объемным способом.
Объемная дозировка применяется при массовом производстве и автоматическом прессовании.
Весовая дозировка применяется при неавтоматическом прессовании, в мелкосерийном производстве, а также для точных по массе изделий или когда в состав смеси входят драгоценные металлы (золото, платина, серебро).
Величину навески рассчитывают по формуле:
(2.1)
где V
– объем готовой детали в см3;
dc
- плотность порошковой смеси, соответствующая
ее компактному (беспористому) состоянию,
;
П - заданная
пористость готовой детали, %; К1,
К2
– коэффициенты, учитывающие потери
порошковой смеси во время прессования
и спекания (К1
= 1,005…1,09) (К2
= 1,01…1,03).
Плотность порошковой смеси dс в компактном состоянии рассчитывается по правилу аддитивности:
(2.2)
здесь d1,
d2,
… , dn
– плотность
компонентов смеси в беспористом
состоянии,
;
Р1,
Р2,
…, Рn
– процентное
(по массе) содержание
При объемной дозировке количество смеси отмеряется с помощью специальной мерки или с помощью автоматического дозатора, который непосредственно засыпает порошковую смесь в полость матрицы пресс-формы.
Перед формованием проводят дегазацию металлических порошков.
Формование заготовок из порошковых материалов проводится методами прессования, изостатического формования, прокаткой, выдавливанием, шликерным формованием.
Прессование – является трудоемкой операцией порошковой металлургии. Условия прессования (давление, схема, холодное, горячее и т.п.) определяют физико-химические и механические свойства готовых изделий, их эксплуатационное назначение.
При холодном одностороннем прессовании одним пуансоном 3 (рис. 2.1, а) порошок 1 засыпается в пресс-форму 2 и под действием давления пуансона происходит его уплотнение с деформацией отдельных частиц. Одностороннее холодное прессование применяют для заготовок простой формы с отношением высоты брикета к диаметру меньше единицы.
Заготовки сложной
формы прессуют набором пуансонов (рис.
2.1, б).
Рисунок 2.1 – Холодное прессование и кривая процесса упрочнения:
1 – порошок; 2 – пресс-форма; 3 – пуансон; А, Б, В – характерные участки
кривой упрочнения
Двустороннее прессование (рис. 2.1, в) применяют для получения заготовок сложной формы и повышенной прочности.
Кривая упрочнения получаемых брикетов (рис. 2.1, г) имеет три характерных участка: А – период наиболее интенсивного нарастания плотности при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты; Б – период, когда рост давления практически не влияет на плотность; В – период достижения предела текучести, когда при сжатии порошкового тела начинается деформация частиц.
При горячем прессовании при нагреве до температур порядка (0,6…0,8) tпл одновременно протекают процессы формообразования и спекания заготовки. Недостаток горячего прессования – малая стойкость пресс-форм (выдерживают 10…12 прессований) и низкая производительность процесса.
Основными недостатками прессования в закрытых пресс-формах являются: необходимость изготовления с большой точностью и чистотой деталей пресс-форм; применение высоких давлений при прессовании (до 600…1000 МПа и выше); ограниченность получения изделий по форме и массе.
При изостатическом (всестороннем) прессовании отсутствуют потери на внешнее трение, а равномерность всестороннего давления позволяет получать требуемую плотность заготовки при меньших давлениях по сравнению с прессованием в закрытых пресс-формах.
Виды изостатического формования: гидростатическое формование с помощью эластичной оболочки и горячее формование.
Гидростатическим формованием изготовляют сложные по конфигурации детали. Порошок 3 (рис. 2.2) находящийся в эластичной оболочке 2 толщиной 0,1…0,15 мм (резиновая, каучуковая или из листового металла) помещают в сосуд 1 высокого давления. Рабочая жидкость (вода, масло, глицерин и др.) в герметичном сосуде развивает громадное давление.
Рисунок 2.2 – Гидростатическое формование:
1 – сосуд высокого давления; 2 – эластичная оболочка; 3 – порошок
При горячем формовании порошок помещают в эластичную металлическую оболочку, которая нагревается и подвергается давлению, при этом совмещаются процессы формования и спекания.
Прокатка является наиболее производительным способом получения изделий из порошков с высокой степенью автоматизации и непрерывности процесса.
Разработаны способы получения однослойных (рис. 2.3, а) и многослойных (например, двухслойных на рис. 2.3, б) лент толщиной 0,02…3 мм и шириной до 300 мм или полос, прутков разного профиля и проволоки. В бункер 1 непрерывно поступает порошок 2, который, попадая в зазор между вращающимися валками 3, вытягивается в ленту или полосу 4 определенной толщины.
Процесс формования может быть совмещен со спеканием при прохождении ленты через печь и последующим обжатием для получения необходимых размеров продукции.
Прокатку для химически активных порошков (титана, тантала, циркония и других металлов) проводят в вакууме или защитных средах.
Рисунок 2.3 – Прокатка порошков как способ изготовления полуфабрикатов:
1 – бункер; 2 – порошок; 3 – валки; 4 – лента или полоса; 5 – перегородка
Метод выдавливания применяют для изготовления труб и профилей разного сечения из трудно прессуемых материалов (тугоплавких металлов, твердых сплавов, керметов и др.).
Шликерное формование заготовок из порошков проводится без приложения внешнего давления. При этом способе концентрированную суспензию (шликер) мелкого порошка (размер частиц 1…10 мкм) в жидкости (вода, спирт, четыреххлористый углерод), заливают в форму. Форма изготовляется из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка, пластика. Металлический порошок оседает на стенках формы при направленном перемещении суспензии. Перемещения создаются за счет разряжения, создаваемого за перфорированной стенкой стальной формы. Жидкость при движении впитывается в поры гипсовой формы. Этим способом изготовляют изделия сложной формы из карбидов, боридов и хрупких материалов.
Спекание - важная операция технологического процесса изготовления порошковых изделий. Полученные порошковые формовки характеризуются недостаточным контактом между частицами.
С целью восстановления поверхностных оксидов при спекании применяют восстановительные атмосферы, а для химически активных металлов - защитные атмосферы (азот, аргон и др.), спекание в вакууме, для удаления из материалов газов, летучих примесей и защиты от воздействия воздуха.
Спекание проводится в электропечах сопротивления непрерывного действия различных типов: конвейерных; рольганговых; с шагающим подом; толкательных.
К электропечам периодического действия, применяемым для спекания, относятся вакуумные высокотемпературные индукционные печи.