Порошковая металлургия

дозирование используют при автоматизированном формовании изделий.

Дозирование по массе наиболее точный способ, этот способ обеспечивает

одинаковую плотность формования заготовок.

Для формования изделий из порошков применяют следующие способы:

прессование в стальной прессформе, изостатическое прессование,

прокатку порошков, мундштучное прессование, шликерное формование,

динамическое прессование.

Прессование в стальной прессформе

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (рис.6) возникает

сцепление частиц и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое

изменение объема происходит в результате смещения и деформации отдельных

частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и

заклинивания - механического сцепления частиц. У пластичных материалов

деформация возникает вначале у приграничных контактных участков малой

площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется

вглубь частиц.

[pic]

Рис.6 Схема прессования в прес- Рис. 7 Кривая

идеального процесса

сформе (1 – матрица, 2 – пуансон, уплотнения.

3 – нижний пуансон, 4 – порошек)

и схема распределения давления по высоте.

У хрупких материалов деформация проявляется в разрушении выступов

частиц. Кривая процесса уплотнения частиц порошка (рис.7) имеет три

характерных участка. Наиболее интенсивно плотность нарастает на участке A

при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. После

этого заполнения пустот возникает горизонтальный участок B кривой,

связанный с возрастанием давления и практически неизменяющейся плотностью

т.е. неизменным объемом порошка. При достижении предела текучести при

сжатии порошкового тела начинается деформация частиц и третья стадия

процесса уплотнения (участок С! ‘ ). При перемещении частиц порошка в

прессформе возникает давление порожка на стенки. Это давление меньше

давления со стороны сжимающего порошок пуансона (рис.6) из-за трения между

частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами.

Величина давления на боковые стенки зависит от трения между частицами,

частицами и стенкой прессформы и равна 25...40% вертикального давления

пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальная

величина давления получается неодинаковой: у пуансона наибольшей, а у

нижней части – наименьшей (рис.6). По этой причине невозможно получить по

высоте отпрессованной заготовки равномерную плотность. Неравномерность

плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше минимального

поперечного сечения. При прессовании засыпанных в цилиндрическую прессформу

одинаковых доз порошка, разделенных прокладками из тонкой фольги получают

отдельные слои различной формы и размера (рис.8). [pic]

Рис.8 Схема распределения плотности по вертикальному сечению

спрессованного порошка при одностороннем приложении давления (сверзу).

В вертикальном направлении каждый верхний слой оказывается тоньше

нижележащего. Изгиб слоев объясняется меньшей скоростью перемещения

порошка у стенки из-за трения, чем в центре. Наибольшая плотность

получается на расстоянии около 0.2...0.3 наименьшего поперечного размера

прессуемого изделия, что связано с действием сил трения между торцом

пуансона и порошком.

Для получения более качественных изделий после прессования

получения более равномерной плотности по различным сечениям применяют

смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту, поливиниловый

спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутреннее трение и трение на

стенках инструмента. Смазку обычно)- в порошок, что обеспечивает наилучшие

производственные показатели.

При выталкивании изделия из прессформы из-за упругого увеличения ее

поперечных размеров, размеры изделия несколько превышают размеры

поперечного сечения матрицы. Величина изменения размеров зависит от

величины зерен и материала порошка, формы и состояния поверхности частиц,

содержания окислов, механических свойств материала, давления прессования,

смазки, материала матрицы и пуансона и других параметров. В направлении

действия прессующего усилия изменения размеров больше, чем в поперечном

направлении.

Представленная схема (рис.6) показывает одностороннее прессование,

которое применяют для прессуемых изделий с соотношением высоты И к

наименьшему размеру поперечного сечения d:H/d = 2...3. Если это соотношение

больше 3, но меньше 5, то применяют схему двухстороннего прессования; при

большем соотношении размеров применяют другой метод.

Прессование сложных изделий, т.е. изделий с неодинаковыми размерами в

направлении прессования, связано с трудностями обеспечения равномерной

плотности спрессованного изделия в различных сечениях. Эту задачу решают

путем применения нескольких пуансонов, через которые прикладывают к порошку

различные усилия (рис.9). Иногда при изготовлении изделий сложной формы

предварительно прессуют заготовку, а затем придают ей окнчательную форму

при повторном обжатии - прессовании и спекании.[pic]

Рис.9 Схема прессования в прессформе сложного изделия: 1- пуансон,2-

пуансон, 3-матрица,

4- нижний пуансон.

При прессовании кроме стальных прессформ - основного инструмента

производства используют гидравлические универсальные или механические

прессы. Для прессования сложных изделий используют специальные

многоплунжерные прессовые установки.

Давление прессования зависит в основном от требуемой плотности

изделий, вида порошка и метода его производства. Давление прессования

зависит в основном от требуемой плотности изделий, виде порошка и метода

его производства. Давление прессования в этом случае может составлять

(3...5) Gт пределов текучести материала порошка.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке

под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается

жидкостью прессование называют гидростатическим. При гидростатическом

прессовании порошок засыпают в резиновую оболочку и затем помещают ее после

вакуумирования и герметизации в сосуд, в котором поднимают давление до

требуемой величины. Из-за практического отсутствия трения между оболочкой и

порошком спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем

сечениям, а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании

в стальных прессформах. Перед прессованием порошок подвергают

виброуплотнению. Гидростатическим прессованием получки? цилиндры, трубы,

шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в

специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность

получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость

механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а

также малая производительность процесса.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси порошка с

пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице. В

качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт,

бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия

большой длины. Схема процесс представлена на рис. 10.

[pic]

Рис.10 Схема мундштучного прессования.

При прессовании труб в обойме1 с мундштуком 2 переменного сечения

устанавливают иглу-стержень 3, закрепляемую в звездочке 4. Над обоймой

находится матрица и, соединенная с обоймой гайкой 5. Из матрицы

выдавливание пластифицированной смеси производится пуансоном 7. Допустимое

обжатие k=(F-f)/f*100% должно быть более 90%; здесь F и f - площади

поперечного сечения матрицы и изделия.

Обычно мундштучное прессование выполняют при подогреве материала

изделия и в этом случае обычно не используют пластификатор; порошки

алюминия и его сплавов прессуют при 400...GOC*C, меди - 800...900*С, никеля

- 1000...1200 С, стали - 1050...1250 *С. Для предупреждения окисления при

горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или

прессование в защитных оболочках (стеклянных, графитовых, металлических -

медных, латунных, медно-железной фольге). После прессования

оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных

спрессованнному металлу.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в

пористую форму с последующей сушкой. Шликер в этом случае - это однородная

концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Шликер приготовляют из

порошков с размером частиц I... 2 мкм (реже до 5...10 мкм) и жидкости -

воды, спирта, четырех- хлористого водорода. Взвесь порошка однородна и

устойчива в течение длительного времени. Форму для ликерного литья

изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка.

Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в

направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием

направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости). Эти потоки

возникают в результате впитывая жидкости в поры гипсовой формы под

действием вакуума или центробежных сил, создающих давление в несколько

мегапаскалей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной и

составляет 1...60 мин. После удаления изделия из формы его сушат при

110...150*С на воздухе, в сушильных шкафах.

Плотность изделия достигает 60%, связь частиц обусловлена механическим

зацеплением.

Этим способом изготовляют трубы, сосуды и изделия сданной формы.

Динамическое прессование - это процесс прессования с использованием

импульсных нагрузок. Процесс имеет ряд преимуществ: уменьшаются расходы

на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность

изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения

нагрузки. Источником энергии являются: взрыв заряда взрывчатого вещества,

энергия электрического разряда в жидкости, импульсное магнитное поле,

сжатый газ, вибрация. В зависимости от источника энергии прессование

называют взрывным, электрогидравлическим, электромагнитным,

пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное выделение тепла

в контактных участках частичек, облегчающее процесс их деформирования и

обеспечивающее большее уплотнение, чем при статическом (обычном)

прессовании. Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в

первые 3-30 с. Наиболее эффективно использование вибрации при

прессовании порошков непластичных и хрупких материалов. С применением

виброуплотнения удается получить равноплотные изделия с отношением высоты к

ди-аметру 4...5:1 и более.

Спекание.

Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепления и

формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка.

Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных

изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования,

температуры, времени и атмосферы спекания н других факторов.

В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е.

спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором

легкоплавкие компоненты смеси порошков расплавляются.

Твердофазное спекание. При твердофазном спекании протекают следующие

основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка,

рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду.

Все металлы имеют кристаллическое строение и уже при комнатной

температуре совершают значительные колебательные движения относительно

положения равновесия. С повышением температуры энергия и амплитуда

атомов увеличивается и при некотором их значение возможен переход атома в

новое положение, где его энергия и амплитуда снова увеличиваются и

возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит

название диффузии и может совершаться как по поверхности (поверхностная

диффузия), так и р объеме тела (объемная диффузия). Движение атомов

определяется занимаемым ими местом. Наименее подвижны атомы расположенные

внутри контактных участков частичек порошка, наиболее подвижны атомы

расположенные свободно - на выступах и вершинах частиц. Вследствие этого,

т.е. большей подвижности атомов свободных участков и меньшей подвижности

атомов контактных участков, обусловлен переход значительного количества

атомов к контактным участкам. Поэтому происходит расширение контактных

участков и округление пустот между частицами без изменения объема при

поверхностной диффузии. Сокращение суммарного объема пор возможно только

при объемной диффузии. При этом происходит изменение геометрических

размеров изделия - усадка.

Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема и

поэтому различают линейную и объемную усадку. Обычно усадка в направлении

прессования больше, чем в поперечном направлении. Движущей силой процессе

усадки при спекании является стремление системы к уменьшению запаса

поверхностной энергии, что возможно только при сокращении суммарной

поверхности честны, порожке. Но этой причине порошки с развитой

поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как

обладающие большие запасом поверхностной энергии.

При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки или в

увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных

напряжений после прессования, наличие невосстанавливающихся окислов,

фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при

химических реакциях восстановления окислов газов. Рост объема

спекаемых тел наблюдается при образовании закрытой пористости и объеме пор

более 7% (когда расширение газов в закрытых порах вызывает увеличение

объема). Пленки невосстанавливающихся окислов тормозят процессы

диффузии, препятствуя усадке. На рис. 11 приведена кривая изменения

усадки во времени при заданной температуре.

[pic]

Рис.11 Усадка спрессованного порошка железа при 890 С при различном

давлении: 1-400 мн/м2, 2-600 мн/м2,3-800 мн/м2, 4000 мн/м2.

Рекристаллизация при спекании приводит к росту зерен и уменьшению

суммарной поверхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен

ограничен тормозящим влиянием посторонних включении на поверхностях зерен:

порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и

межчастичную.

Перенос атомов через газовую среду. Это явление наблюдают при

испарении вещества и конденсации его на поверхности других частиц, что

происходит при определенной температуре. Такой перенос возникает из-за

различной упругости паров вещества над этими поверхностями, обусловленный

их различной кривизной у нескольких соприкасающихся частиц. Перенос

вещества увеличивает межчастичные связи и прочность сцепления частиц,

способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.

Влияние некоторых технологических параметров на свойства спеченных

тел. Свойства исходных порошков - величина частиц, их форма, состояние

поверхности, тип окислов и степень совершенства кристаллического строения -

определяют скорость изменения плотности и свойства спрессованных изделий.

При одинаковой плотности спеченных изделий механические и электрические

свойства тем выше, чем меньше были частицы порошка, шероховатость

поверхности частиц и дефекты кристаллического строения способствуют

усилению диффузии, увеличению плотности и прочности изделия. Структура

изделии спеченных из токоизмельченных порошков отличается наличием

большого числа крупных зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации

при спекании. Увеличение давления прессования приводит к уменьшению

усадки (объемной и линейной), повышению всех показателей прочности -

сопротивлению разрыву и сжатию, твердости. С повышением температуры

плотность и прочность спеченных изделий в общем возрастает тем быстрее,

чем ниже было давление прессования. Обычно температура спекания составляет

0,7...0,9 температуры плавления наиболее легкоплавкого материала,

входящего в состав шихты (смеси порошков). Выдержка при постоянной

температуре вызывает сначала резкий, а затем более медленный рост

плотности, прочности и других свойств спеченного изделия. Наибольшая

прочность достигается за сравнительно короткое время и затем почти не

увеличивается. Время выдержки для различных материалов длится от 30...45

минут до 2...3 часов. Атмосфера спекания влияет на показатели качества.

Плотность изделий выше при спекании в восстановительной, чем при спекании

в нейтральной среде. Очень полно и быстро проходит спекание в вакууме,

которое по сравнения со спеканием в нейтральной среде обычно начинается

при более низких температурах и дает повышенную плотность изделия.

Температурный интервал спекания разделяют на три этапа. На первом

этапе (температура до 0.2...0.3 Тпл) плотность почти не изменяется, здесь

удаляются пластифицирующие присадки и адсорбированные поверхностью частички

Страницы: 1, 2, 3, 4