Изготовление деталей методами порошковой

металлургии[13].

Порошки золота, меди и бронзы люди получали 8- 10 тыс. лет назад. Знаменитая железная колонна в г. Дели (Индия) также получена методами порошковой металлургии, поскольку в те годы могли создать температуры не выше 1100 °С.

Основой порошковой металлургии являются металлические порошки- это совокупность частиц сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

В настоящее время мировое производство порошков составляет несколько миллионов тонн в год.

Металлические порошки получаются следующими способами:

1. Химическое восстановление

- оксидов и других твердых соединений металлов (Fe, Cu, Ni, Co, карбиды, бориды …);

- различных соединений металлов из водных растворов (Cu, Ni, Co, Au…);

- газообразных соединений различных металлов (W,Mo,Ni..).

Этот способ самый распространенный. Восстановителями являются газы (H₂ , природный газ, кокс, сажа и др.) . Исходное сырье- окисленные руды, рудные концентраты, отходы металлургического производства, растворы солей.

2. Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов (Cu, Ni, Fe, Ag…)

3. Диссоциация (распад) карбонилов (соединений металла с СО (Fe, Ni, Co, W, Mo)).

Применяют для производства высококачественных весьма дорогих дисперсных порошков.

4. Термодиффузионное насыщение (латунь, сплавы на основе хрома, высоколегированные стали).

5. Испарение и конденсация (Zn, Cd…).

6. Межкристаллитная коррозия (коррозионностойкие и хромоникелевые сплавы).

7. Дробление и размол твердых материалов (Fe, Cu, Mn, латунь, бронза, хром, стали….)

8. Диспергирование (тонкое измельчение) расплава (Al, Pb, Sn, Zn, бронза, сталь…).

Получают воздействием на струю расплавленного металла центробежных сил от вращающегося диска, жидкости или газа.

9. Грануляция расплава (Fe, Cu, Pb, Sn, Zn).

Получают сливом в жидкость расплавленного металла.

10. Обработка резанием (сталь, латунь, бронза …).

Основные характеристики порошков.

Они регламентированы соответствующими нормативными документами.

1. Хим. состав- содержание основного металла или сумма основных компонентов сплава составляет свыше 98- 99%. Содержание оксидов металла может быть 1- 10%.

2. Газосодержание. Не должно превышать норм. Определяется весьма сложными методами.

3. Влажность порошка. Обычно составляет 0,05- 0,5%. Определяется по ГОСТ 18317-73.

4. Воспламеняемость. Зависит от хим. природы и чистоты металла, крупности и формы частиц, состояния их поверхности.

Основной причиной воспламенения порошков принято считать их взаимодействие с кислородом воздуха.

5. Температура самонагревания. Это наименьшая температура, при которой в порошке возникает экзотермическая реакция взаимодействия с окружающей газовой атмосферой, инициированная посторонним тепловым импульсом.

6. Температура тления. Это минимальная температура, при которой в результате самонагревания возникает тление, т.е. свечение без пламени, заканчивающееся самопроизвольным возникновением пламени.

7. Температура самовоспламенения. Это минимальная температура, при которой резко повышается скорость экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени.

8. Температура воспламенения. Это минимальная температура, при которой от постоянного источника в порошке происходит резкое повышение температуры вследствие экзотермического процесса, заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени.

9. Энергия воспламенения. Это количество переданной энергии, достаточной для воспламенения.

10. Взрываемость порошка. Оценивают по нижнему концентрационному пределу взрываемости, по максимальному давлению при взрыве и по скорости его нарастания.

11. Токсичность порошка.

12. Физические свойства порошка:

- форма частиц (сферическая, губчатая, дендритная, осколочная, тарельчатая, каплевидная);

- размер частиц (l= 0,1…1000мкм. Гранулометрический состав порошка определяют ситовым, микроскопическим и другими способами);

- удельная поверхность порошка, сумма наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его массы или объема (S_уд= 0,01- -20м²/г. Определяется специальным способом);

- плотность порошка (пикнометрическая плотность) определяется специальными методами;

- микротвердость определяют алмазной пирамидкой по частице при F=0,5…200г после изготовления прессованных, шлифованных, полированных и нагретых до T= 100- 140 ° С брикетов.

13. Насыпная плотность и плотность утряски.

14. Текучесть. Это способность вытекать из отверстия с определенной скоростью.

15. Уплотняемость. Это способность уменьшать занимаемый объем под воздействием давления или вибрации.

16. Прессуемость. Это способность образовывать под действием давления заданные формы, размеры.

17. Формуемость. Это способность сохранять приданную ему под действием давления форму в заданном интервале пористости.

Формование металлических порошков.

Это технологическая операция, в результате которой образуется порошковая формовка, т.е. тело, имеющее заданную форму, размеры и плотность.

Эта операция лимитирует технологические возможности порошковой металлургии.

Перед формованием необходимо подготовить порошок. Для этого выполняются операции: отжиг, рассев (классификация) и смешивание.

Отжиг- производится для повышения пластичности. Нагрев осуществляется в защитной среде при Т= 0,4…0,6 Т_пл порошка.

Классификация- разделение на фракции по размеру частиц, чтобы затем их использовать непосредственно для формования, либо для составления смеси. При этом некоторые фракции могут быть непригодными.

Приготовление смеси. При смешивании предусматривают приготовление однородной механической смеси металлических порошков различного химического и гранулометрического составов или смеси металлических порошков с неметаллическими. Задача смешивания получить макрооднородную смесь. Скорость и результат смешивания во многом определяются формой и размерами частиц, гранулометрическим составом и т.д.

Наиболее распространено механическое смешивание в шаровых мельницах. Обычно 300- 500кГ шихты перемешиваются 5- 10 мин.

Необходимо помнить, что при длительном хранении смеси возможно расслоение компонентов (сегрегация) с разными плотностями.

Прессование порошков.

Это формование металлического порошка в пресс-форме (рис. 4.9) при действии давления.

Уже при насыпании частицы порошка воспринимают контактную нагрузку. Поскольку поверхность порошинок имеет значительную шероховатость и микроскопические трещины, то контактные нагрузки очень быстро достигают предельных значений, когда начинается пластическая деформация.

Рис. 4.9.

Простейшая пресс- форма:

1- пуансон верхний;

2- 2- матрица;

3- пуансон нижний.

Рис. 4. 10.

Изменение плотности

от давления

Рис. 4.11.

Изменение плотности

медного порошка по

высоте Н прессовки:

1-одностороннее прессование;

2- 2-х стороннее прессование.

5,4 5,8 6,2 r, г/см³

Объем порошкового тела при прессовании изменяется в результате смещения отдельных частиц, заполняющих пустоты между ними и деформации частиц. При этом меняется и плотность (см. рис.4.10). Здесь цифрой I обозначена 1-я стадия, когда частицы упаковываются более плотно; цифрой II обозначена 2-я стадия когда происходит упругая деформация частиц; цифрой III обозначена 3-я стадия, когда происходит пластическая деформация.

Из-за трения между частицами плотность порошкового тела оказывается неравномерной (см. рис 4.11)

Неравномерная плотность может привести к искажению формы и размеров при спекании, а также вызвать нежелательные изменения свойств спеченной детали.

Для определения давления прессовки, обеспечивающего получение беспористой детали, существует много формул, например

lgP_max= lgP+ L(b-1),

где P - текущее давление прессования; L - фактор прессования; b - относительный объем прессовки.

После завершения процесса прессования образованную форму (прессовку) необходимо вытолкнуть из матрицы. Давление выталкивания обычно принимают равным (0,2…0,35) P.

Вытолкнутая из матрицы прессовка несколько увеличивается в размерах из- за явления упругого последействия, основная часть которого проявляется сразу после выталкивания, а остальная происходит в течении нескольких дней. Поэтому при изготовлении изделий точных размеров срок хранения прессовок не должен превышать нескольких часов.

Прочность прессовок зависит от Р, состава, насыпной плотности порошка и т.д.

Брак при прессовании:

расслой (трещины); неравномерная плотность; размеры; риски.

Кроме описанного способа формования применяются также изостатическое, шликерное формование, формование в прокатном стане, мундштучное формование, инжекционное, вибрационное, импульсное и др.

Спекание.

Это заключительная технологическая операция порошковой металлургии. При этом получаются поликристаллические тела различной химической природы и определяются конечные свойства порошковых материалов и изделий. В процессе спекания основа не расплавляется. Это отличает от других способов металлургического производства. Однако при нагреве состава возможно расплавление какой-либо составляющей. В этой связи появление жидкой фазы окажет существенное влияние на закономерность спекания.

Теория спекания еще находится в стадии разработки.

Спекание порошковых формовок производят в среде защитного газа или в вакууме. Защитными газами могут быть: водород; диссоциированный аммиак, аргон, азот и др. В большинстве случаев природные защитные газы очищают от кислорода, углекислоты и влаги.

При быстром нагреве в защитных атмосферах из-за выделения газов возможно разрушение формовок.

Спекание в вакууме предпочтительно.

Спекание производят в специальных печах.

Может быть применено также горячее прессование при температуре, превышающей температуру рекристаллизации основного компонента.

Применяют также теплое прессование при температуре равной 0,1 от температуры плавления основного компонента.

Методами порошковой металлургии изготавливают: а) пластины режущих элементов из твердых сплавов, быстрорежущих сталей; б) режущие части сверл одностороннего резания из твердых сплавов; в) гидромониторные насадки для долот, гидроструйного резания; г) фильтры для очистки рабочих жидкостей гидросистем; д) тормозные диски…