Формування заготовок 1 страница

Процес формування заготовок полягає в ущільненні порошку під дією прикладеного тиску з метою виготовлення з нього заготовок певної фор­ми. Формування здійснюється пресуванням, видавлюванням, прокатуван­ням, шлікерним литтям.

1. Пресування проводять в холодних або гарячих прес-формах. Великі заготовки дістають гідростатичним пресуванням в еластичних формах.

Холодне пресування здійснюють так. У сталеву матрицю 3 (рис. 1.27, а) прес-форми з піддоном 1 засипають потрібну кількість порошкової шихти 2 і пресують її пуансоном 4. При цьому різко зменшується об'єм порошку, збільшується контакт між окремими часточками, відбувається їх механічне з'єднання, міцність заготовки збільшується, а пористість зменшується. Не­доліком такої схеми пресування є нерівномірність розподілу тиску по висо­ті заготовки через тертя її об стінки матриці 3. Виготовлені в таких прес-формах заготовки мають по висоті різну міцність, щільність та пористість. Таким способом дістають заготовки простої форми та малої висоти.

Для усунення зазначеного недоліку застосовують двостороннє пресуван­ня за допомогою двох рухомих пуансонів (рис. 1.27, б). При такій схемі, крім того, тиск пресування зменшується на 30... 40 %. Залежно від потріб­ної пористості і міцності матеріалу заготовки, а також її форми тиск пресу­вання становить 0,1... 1,0 ГПа.

Гаряче пресування суміщує формування та спікання заготовок. Цей про­цес здійснюється в графітових прес-формах з індукційним або електро­контактним нагріванням. Завдяки високій температурі тиск при гарячо­му пресуванні можна значно зменшити.

Гаряче пресування відзначається малою продуктивністю, великою витра­тою прес-форм, тому застосовується головним чином для виготовлення заго­товок з жароміцних матеріалів, твердих сплавів, чистих тугоплавких металів. Гідростатичне пресування (рис. 1.28) полягає в обтискуванні порошку, розміщеного в еластичній (наприклад, гумовій) оболонці, за допомогою рідини в гідростаті під тиском до 2 ГПа. Цей метод дає змогу діставати

заготовки великих розмірів на зразок циліндрів і труб з рівномірною щільні­стю в усьому об'ємі.

2. Екструзія — це формування заго­товок видавлюванням шихти крізь матрицю з отвором різного перерізу (рис. 1.29). Для цього вихідний поро­шок замішують з пластифікатором (па­рафіном, воском) в кількості, яка забез­печує шихті консистенцію пластиліну. Цим способом дістають

прутки, про-

Рис. 1.27. Схеми холодного пресування

- філі різного перерізу, трубки. Для виготовлення пустотілих виробів (труб тощо) всередині матриці розміщують відповідну оправку.

3. Прокатування здійснюють обтисненням порошкової шихти між го­ризонтально розміщеними валками 1 (рис. І.30). Цим способом дістають пористі та компактні стрічки, смуги та листи завтовшки 0,02...3,00 мм та завширшки 300 мм із заліза, нікелю, корозієстійкої сталі, титану та інших металів. Прокатування легко суміщується зі спіканням та іншими видами обробки. Для цього виготовлену заготовку пропускають крізь прохідну піч, а потім подають на прокатування для калібрування. Прокатуванням можна дістати також двошарові заготовки (наприклад, залізо-мідь). Для цього в бункері 2 уздовж валків 1 встановлюють перегородку 3, щоб поді­лити його на дві секції для двох потоків порошків.

Найбільш істотним фактором, що визначає щільність стрічки, є вели­чина зазору між валками. Звичайно вона становить 1 % від діаметра вал­ка. Зі збільшенням зазору щільність стрічки зменшується.

Щільність стрічки залежить також від швидкості прокатування. З під­вищенням швидкості щільність і її рівномірність за шириною стрічки змен­шуються. Тому для кожної товщини стрічки існує своя оптимальна швид­кість прокатування, яка зумовлюється частотою обертання валків у ме­жах 0,5...50,0 об/хв.

Для підвищення щільності й поліпшення механічних властивостей спе­чену стрічку піддають багаторазовому прокатуванню з проміжними від­палами. Після три-чотирикратного прокатування і відпалювання механіч-

Рис. І.30. Схема листового прокатування порошків:

1 - валки; 2 - бункер; 3 - перегородка; 4 - поро­шок; 5 - ролики; 6 - спресована стрічка; 7 - на­прямна

- ні властивості підвищуються в кілька разів, а щільність досягає майже 100 %. Прокатування дає змогу діставати з порошкових металів і сплавів одно­рідні за щільністю вироби будь-якої довжини, порівняно великі за шири­ною та дуже малі за товщиною.

4. Шлікерне лиття дає можливість одержувати вироби великих розмірів і складної форми без застосування тиску.

Технологія цього методу така. Порошкову шихту певного складу суспен­дують у рідкому середовищі до консистенції сметани, а потім заливають у пористу керамічну або гіпсову форму відповідного профілю і розмірів. З ча­сом рідина виводиться із шихти крізь пори або вбирається матеріалом фор­ми. При цьому частинки порошку механічно з'єднуються між собою і утво­рюють стійку за міцністю заготовку з пористістю 30... 60 %. Після такого "підсушування" її вилучають з форми, сушать і спікають.

Для шлікерного лиття використовують тонкі порошки з частинками роз­міром 5... 10 мкм. Масова частка порошкової шихти в суспензіях стано­вить 40...70 %. Рідиною для приготування суспензії є водно-спиртові роз­чини полівінілу, вода з добавками хлориду заліза, соляної кислоти тощо.

26. Спікання та додаткова обробка заготовок

Для підвищення міцності відформовані з порошку заготовки піддають спіканню. Цю операцію здійснюють в печах електроопору або індукцій­них з нейтральним або захисним середовищем протягом 30...90 хв при температурі, що становить 2/3 від температури плавлення основного ком­понента. В процесі спікання відновлюються оксиди, розвиваються дифу­зійні явища, створюються нові контактні поверхні.

Якщо потрібно підвищити точність розмірів і ущільнення поверхнево­го шару, то спечені деталі піддають калібруванню.

Калібрування забезпечує надання деталям потрібних розмірів з точніс­тю 6...7 квалітетів, а також високої чистоти поверхні (7 клас шорсткості і вище). На рис. 1.31 наведено схему сумісного калібрування втулок за зов­нішнім (матрицею 5) і внутрішнім (пуансоном 3) діаметрами. Незакріпле-ний (плаваючий) пуансон 3 фіксується оброблюваною втулкою 4 (І). При калібруванні (II) втулка 4 переміщується одночасно відносно матриці 5 і пуансона 3, який у цей момент утримується в матриці оброблюваною втул­кою 4 і опорною плитою 2. Втулка 4 проштовхується крізь вічко матриці

Рис. 1.31. Схема калібрування втулки

під дією верхнього пуансона 6 до наступної втулки 7, яка підлягає каліб­руванню. Після проштовхування першої втулки 4 (III) пуансон 3 утриму­ється в матриці другою втулкою 7. При переміщенні опорної плити 2 на себе прокалібрована втулка 4 падає на підставку 1 (IV) і виштовхується із прес-форми при поверненні плити 2 у вихідне положення. Після цього цикли І...IV повторюються.

Деформація поверхневого шару при калібруванні супроводжується також наклепом і ущільненням. Ступінь деформації матеріалу в поверх­невому шарі визначається допуском на калібрування, який становить від 0,2.. .0,4 до 0,5... 1,6 % від відповідного розміру.

Спечені заготовки можна обробляти різанням -точінням, фрезеруван­ням, свердлінням. Не слід застосовувати мастильно-охолодні рідини (МОР), які можуть, проникати в пори і спричиняти внутрішню корозію матеріалу. Якщо вихід пор на поверхню потрібно зберегти (наприклад, для вкладишів підшипників), то спечені деталі слід обробляти добре за­гостреним різальним інструментом. Спечені деталі із сплавів на основі заліза, титану, нікелю та інших металів можна також піддавати різним видам термічної або хіміко-термічної обробки.

Конструюючи вироби з порошків, не варто допускати значної різно-стінності, оскільки при великій усадці виріб може жолобитися; треба уни­кати виступів, пазів і отворів, розміщених перпендикулярно до напряму пресування, гострих кутів, а в місцях спряження елементів виробу типу фланець-циліндр передбачати заокруглення радіусом не менш як 0,25 мм; зовнішні та внутрішні різьби слід виконувати різанням; товщину стінок виробів передбачати не менше ніж 1 мм.

Запитання і завдання для самоконтролю

1. У чому суть порошкової металургії?

2. Назвіть основні способи добування порошків.

3. Перелічіть основні способи формування виробів з порошкових матеріалів.

У чому суть цих способів?

4. У чому суть і призначення спікання порошкових виробів?

Розділ ІІБУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ

Глава 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

1. Кристалічна будова металів

У техніці під металами розуміють як технічно чисті метали, так і їхні сплави.

Застосування металів потребує знання їхніх механічних, фізичних і техно­логічних властивостей. Вони залежать не тільки від складу металевих мате­ріалів, а й від їхньої будови (структури). Тому, змінюючи будову металів термічною або механічною обробкою, можна значно змінити і їхні власти­вості. Вивчення зв'язків між складом, будовою, обробкою і властивостями металевих матеріалів є завданням металознавства. Знання цих залежностей необхідні при проектуванні металевих заготовок і їх обробки.

1. Кристалічні решітки металів.Усі метали в твердому стані мають кри­сталічну будову. Розташування атомів (іонів) у кристалічній речовині зви­чайно зображають у вигляді елементарної комірки, яка є найменшим ком­плексом атомів. Багаторазове повторювання її відображає розташуван­ня атомів в об'ємі всієї речовини, тобто її кристалічну решітку.

Найхарактернішими для металів є три типи кристалічних комірок: об'ємоцентрована кубічна (ОЦК) з розміщенням атомів у вершинах і одно­го атома у центрі об'єму куба; гранецентрована кубічна (ГЦК) з розмі­щенням атомів у вершинах і в центрі кожної грані куба і гексагональна щільноупакована (ГЩУ) з розміщенням атомів у вершинах і в центрі ше­стикутних основ призми і трьох атомів усередині призми. У системі ОЦК, наприклад, кристалізуються Fe, Nb, Сr, Mo, W; у системі ГЦК - Cu, Ni, Pb, Ag; у системі ГЩУ - Mg, Zn, Ті, Cd та ін.

2. Поліморфізм металів.У деяких металів (Fe, Sn, Ті) при зміні темпе­ратури відбувається перебудова атомів у просторі, тобто змінюється фор­ма кристалічної решітки. Існування однієї і тієї самої речовини в різних кристалічних формах (модифікаціях) називається поліморфізмом, а пере­хід з однієї модифікації в іншу - поліморфним перетворенням.

Окремі поліморфні модифікації позначають літерами грецького алфа­віту α, β, γ, δ, тощо, які додають до назв металів, наприклад: αα-залізо, β-олово, або до їхніх символів - Fe_α, Sn_β. При цьому літерою а познача­ють модифікації, які існують при температурі, нижчій за температуру пер­шого поліморфного перетворення.

При поліморфних перетвореннях змінюється не тільки будова криста­лічної решітки металу, а і його властивості - об'єм, пластичність, здат­ність розчиняти в собі різні домішки тощо.

Поліморфізм металів має велике практичне значення, оскільки він багато в чому визначає поводження і властивості металів при механічній і термічній обробці, легуванні та роботі в умовах низьких і високих температур.

3. Анізотропія властивостей кристалів.У різних кристалографічних площинах, проведених через центри атомів у кристалічних решітках, число атомів і відстані між ними неоднакові. У зв'язку з цим властивості моно­кристалів у різних напрямах неоднакові. Таке явище називається анізот­ропією.

Анізотропія виявляється в неоднаковості опорів монокристала елек­тричного струму і швидкості розчинення в хімічних реактивах, у відмін­ності механічних властивостей. Наприклад, міцність зразків, вирізаних у різних напрямах з монокристала міді, відрізняється приблизно в 3 рази, а пластичність - більше ніж у 5 разів.

Реальні метали є тілами полікристалічними, тобто складаються з вели­кої кількості по-різному орієнтованих у просторі кристалів (зерен).Тому властивості таких металів у будь-якому напрямі усереднені, однакові. Про­те в тих випадках, коли обробка металів сприяє переважному орієнтуван­ню окремих кристалів (наприклад, при прокатуванні, жуванні), полікрис-талічні метали стають також анізотропними. Так, міцність зразків, вирі­заних з листа вздовж і впоперек напряму прокатування, різні; температур­ний коефіцієнт лінійного розширення листа з цинку залежно від напряму прокатування може відрізнятися в 1,5...2 рази.

4. Дефекти кристалічної будови.Кристалічна будова, яку було описано вище, є ідеальною. Насправді ж вона має багато дефектів - точкових, лі­нійних і поверхневих.

Точкові дефекти (рис. II. 1, а) характеризуються малим розміром у всіх трьох вимірах. До цих дефектів належать вакансії - вільні вузли 1 у крис-

а б

Рис. II. 1. Дефекти кристалічної будови металів

талічній решітці, атоми 2, зміщені в простір між вузлами, і атоми 3 до­мішок.

Лінійні дефекти мають малий розмір тільки в двох вимірах. Основний вид цих дефектів - це дислокації. На рис. 11.1,б подано так звану крайову дислокацію 4, яка становить край "зайвої" кристалографічної півплощини. При іншому характері зміщення атомів може утворитися складніша дислокація - гвинтова. Дислокації утворюються в процесі твердіння і особ­ливо при деформації металу.

Поверхневі дефекти характеризуються малим розміром тільки в одно­му напрямі. Звичайно вони утворюються на границях зерен, на вільних поверхнях тощо.

Дефекти кристалічної будови, зокрема дислокації, відіграють велику роль у пластичній деформації, зумовлюючи значні зміни у властивостях металів. Точкові дефекти виявляються більше в процесах, пов'язаних із переміщенням (дифузією) атомів.

2. Кристалізація металів

1. Кристалізацією називається процес переходу металу з рідкого стану в твердий, коли в металі формується кристалічна решітка. При цьому метал переходить у термодинамічне стійкіший стан із меншим запасом вільної енергії G. При температурі плавлення Т_пл вільна енергія металу в твердому G_TB і рідкому G_p станах однакова. Якщо ця температура нижча, то менший запас вільної енергії має твердий метал, тому він стійкіший від рідкого, а при температурі, вищій за Т_пл, - навпаки. Отже, процес криста­лізації може розвинутися тільки тоді, коли є різниця вільних енергій

ΔG = = G_p - G_TB > 0, тобто у разі переохолодження металу нижче від рівноваж­ної температури Т_пл. Різниця між температурою Т_пл і Т_кр, при якій відбу­вається кристалізація, називається ступенем переохолодження ΔТ. Із збіль­шенням ступеня переохолодження різниця вільних енергій ΔG, тобто ру­шійна сила кристалізації, підвищується.

Ступінь переохолодження металів зростає із збільшенням швидкості їх охолодження. У цьому разі кристалізація відбувається при температурі, значно нижчій за рівноважну Т_пл.

Кристалізація металів починається з формування центрів (зародків) кристалізації. Саме з них ростуть потім первинні, або головні, осі наступ­них кристалів. Слідом за головними і перпендикулярно до них ростуть осі вищих порядків (рис. ІІ.2, а). Такі первинні кристали, які нагадують зовнішнім виглядом дерево, називаються дендритами (від грецького δευδρου - дерево). Подальший ріст дендритів і формування повнотілих кристалів відбувається за рахунок рідкого металу, що заповнює міжосьо-вий об'єм. Зростаючи, кристали ніби просуваються назустріч один одно­му, у певний момент стикаються між собою, перешкоджаючи росту кожно­го, внаслідок чого набувають випадкової зовнішньої форми (рис. 11.2, б). Такі кристали називаються зернами.

А б

Рис. II.2. Дендрит (а) і схема формування зерен при твердінні металу (б)

Хімічні властивості характеризують здатність металів чинити опір окисленню, розчинятися в хімічно активних середовищах (кислотах, лу­гах) і вступати у взаємодію з іншими елементами.

До механічних властивостей належать твердість, міцність, пластичність, ударна в'язкість.

Найпростішим способом визначення міцнісних властивостей металів без виготовлення спеціальних зразків і практично без руйнування зразка або деталі є визначення їх твердості.

Твердістю називається здатність чинити опір проникненню в нього ін­шого, більш твердого тіла.

Існує кілька методів визначення твердості металів. З них найширше застосовують методи Брінелля і Роквелла.

За методом Брінелля твердість визначають на спеціальному приладі вдавлюванням у випробуваний зразок (виріб) сталевої загартованої куль­ки діаметром 2,5, 5 або 10 мм під навантаженням 62,5...3000 кгс (612,5... 29 400 Н) залежно від твердості і товщини випробуваного зразка (виробу).

Число твердості за Брінеллем НВ є відношенням навантаження Р до площі поверхні F, мм², відбитка кульки

,

якщо навантаження виражене в кілограм-силі, і

якщо навантаження виражене в ньютонах.

Твердість за Брінеллем звичайно показують без позначення одиниць, наприклад 350 НВ.

Значення твердості за Брінеллем можна використати для приблизної оцінки границі міцності матеріалу за формулою σ_в = 0,35 НВ.

Твердість за Роквеллом визначають вдавлюванням сталевої кульки діаметром 1,58 мм або алмазного конуса з кутом при вершині 120 °С. Число твердості за Роквеллом позначають HR, добавляючи назву шка­ли, яка визначає умови випробування: HRA - конус, навантаження 60 кгс (588 Н); HRB - кулька, навантаження 100 кгс (980 Н); HRC_e - конус, наван­таження 150 кгс (1470 Н) і подають в умовних одиницях, наприклад, 42 HRA, 95 HRB, 52 HRC_e.

Міцністю називається здатність матеріалів чинити опір дії зовнішніх руйнівних сил. Залежно від характеру цих сил розрізняють міцність при розтяганні, згинанні, стисканні, крученні.

Найбільш поширені випробування металів на розтяг.

Границею міцності при розтяганні σ_в називається умовне напружен­ня, яке дорівнює відношенню найбільшого навантаження P_в, що переду­вало зруйнуванню стандартного зразка, до початкової площі його пере­різу F, МПа:

Найменше напруження, під дією якого метал деформується без поміт­ного збільшення навантаження, визначає границю текучості σ_т. У розра­хунках деталей та інших конструкцій звичайно враховують умовну гра­ницю текучості σ_0.2 - напруження, при якому залишкова деформація зраз­ка становить 0,2 % від початкової розрахункової його довжини.

Випробовуючи метал на розтяг, визначають також інші характеристи­ки опору деформації (границі пропорційності й пружності), а також його пластичність. Пластичні властивості металу оцінюють відносним видов­женням зразка при розтяганні δ - відношенням приросту розрахункової довжини зразка до початкової її довжини /₀, %:

де l_k - довжина розрахункової довжини зразка після розриву.

Ударна в'язкість КС - це здатність металу чинити опір динамічному (ударному) навантаженню. Характеристикою цієї властивості є робота А, Дж, затрачена при динамічному зруйнуванні надрізаного зразка і відне­сена до площі його поперечного перерізу F, см², у місці надрізу: КС = AIF.

У позначення ударної в'язкості вводять також третю літеру, яка зазна­чає вид надрізу (U-, V-, Т-подібний): KCU, KCV, КСТ. Ударна в' язкість виражається в джоулях на квадратний метр (Дж/м²).

Технологічні властивості характеризують можливість проводити ті чи інші технологічні операції з певним металом або застосовувати метал в тих чи інших умовах. До технологічних властивостей належать: прогартовуваність, рідкотекучість, ковкість, зварюваність, оброблюваність рі­занням. Ці властивості розглядатимуться нижче.

Запитання і завдання для самоконтролю

1. У чому суть поліморфного перетворення в металах ?

Яке практичне значен­ня воно має?

2. Наведіть характеристику дефектів кристалічної будови металів.

Як вони впливають на властивості металів?

3. Опишіть процес кристалізації металів. Намалюйте і поясніть

схему будови металевого зливка.

4. Що таке фаза і структурна складова в сплавах? Наведіть приклади.

5. Що таке твердий розчин? Які умови потрібні для повної

розчинності двох компонентів сплаву?

6. Які сполуки компонентів можуть утворюватись у сплавах?

7. Назвіть основні механічні властивості металів.

Як вони визначаються?

Глава 2. ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВІ СПЛАВИ

4. Будова сплавів заліза з вуглецем

1. Компоненти і фази в залізовуглецевих сплавах.Компонентами в за­лізовуглецевих сплавах є залізо і вуглець.

Залізо високої чистоти - це метал білого кольору із сильно виявленими феромагнітними властивостями. Міцність заліза σ_в = 200...250 МПа, твер­дість за Брінеллем 60...80 НВ, відносне видовження δ = 40...50 %.

При нормальній температурі залізо має ОЦК решітку. Ця модифікація заліза називається α-залізом (Fe_a). При температурі 768 °С a-залізо втра-

чає магнітні властивості. Втрата ця не пов'язана з перебудовою атомів у кристалічній решітці, тобто ОЦК решітка при цьому зберігається. Щоб відрізнити магнітне α-залізо від немагнітного, немагнітне іноді назива­ють β-залізом (Fe_β). При температурі 911 °С α(β)-залізо перетворюється в γ-залізо (Fe_γ) з ГЦК решіткою. При температурі 1392 °С ГЦК решітка знову перетворюється в ОЦК. Цю модифікацію на відміну від низькотемпера­турної ОЦК решітки називають δ-залізом (Fe_δ). При температурі 1539 °С залізо плавиться.