Тема 2. Нові технологічні процеси в порошковій металургії

Лекція 3. Характеристики нових технологічних процесів в порошковій металургії

Формування – це надання заготовкам із порошку форми, розмірів, густини та механічної міцності, які необхідні для наступного виготовлення порошкових виробів.

У самому загальному випадку формування металевого порошку являє собою технологічну операцію, у результаті якої утворюється порошкова формовка, тобто тіло з заданими формою, розмірами і густиною. Вихідний об'єм сипучого матеріалу обтисненням зменшується, і відбувається консолідація порошку; зміна початкового об'єму, що займається порошком, яка саме спостерігається, відрізняє його деформування від деформування компактного тіла, об'єм якого залишаються постійним, хоча геометричні розміри змінюються й у багатьох випадках значно. Ущільнення порошку забезпечують пресуванням у металевих прес-формах або в еластичних оболонках, шлікерним формуванням, прокатуванням та іншими методами. Формування більш ніж будь-яка інша операція лімітує технологічні можливості порошкової металургії.

Методи формування порошкових матеріалів поділяють на дві групи: без прикладання і з прикладанням тиску. До першої групи відносять: вільну засипку порошку в форму, шлікерне лиття, формування пластифікованих мас. Другу групу методів поділяють на перервні і неперервні, і в залежності від способу прикладання тиску – на методи з поступовим і миттєвим прикладанням тиску. До перервних методів з поступовим прикладанням тиску відносять пресування в закритих прес-формах, вібраційне пресування, ізостатичне пресування.

Nbsp; Рис.5. Схема технологічних варіантів формування порошкових матеріалів

До миттєвих – гідродинамічне, магнітно-імпульсне, електродинамічне пресування. Неперервні методи формування поділяють на прокатку і мундштучне пресування.

На рис. 5 представлена схема технологічних варіантів формування порошкових матеріалів.

1. Підготовка металічних порошків до формування

Майже у всіх випадках виникає необхідність у спеціальних операціях підготовки для надання порошку певних хімічних, фізичних і технологічних характеристик, що забезпечують випуск продукції з потрібними кінцевими властивостями. Основними операціями при підготовці порошків до формування є відпал, розсівання, змішування.

1.1. Відпал

Цей вид обробки порошків застосовують з метою підвищення їх пластичності, і як наслідок, поліпшення ущільнюваності, пресуємості та формуємості. При відпалі, головним чином, знімається наклеп, тобто усувається спотворення кристалічної ґратки металу у приповерхневих шарах частинок, і дуже часто відбувається відновлення оксидів, що залишилися при одержанні порошку або утворилися в результаті часткового окислення металу при тривалому або неправильному його зберіганні. Нагрів здійснюють у захисному середовищі (відновне, інертне або вакуум) при температурі порядку 0,4 - 0,6 Т_пл металу порошку.

Найчастіше відпалу піддають порошки, що отримані механічним подрібненням твердих матеріалів, електролізом водних розчинів або розкладанням карбонілів, тому що ці порошки містять значні кількості оксидів, розчинених газів і найбільш наклепані.

Порошки переважно відпалюють в прохідних печах, подібних до тих, що застосовуються для відновлення і спікання. Для більш ретельного очищення порошків від різноманітних домішок часто використовують атмосфери з добавками, що містять галогени.

1.2. Класифікація

Під класифікацією розуміють розділення порошків по величині частинок на фракції, що потім використовуються або безпосередньо для формування, чи для складання суміші, що містить необхідний процент частинок потрібного розміру. При цьому порошки деяких фракцій можуть виявитись непридатними для подальшого використання, тому їх піддають додатковій обробці (збільшенню у випадку дрібних фракцій або розмелу у випадку крупних). Частіше всього в практиці ПМ застосовують ситову класифікацію порошків. Для її проведення використовують різноманітні типи сит, основними з яких є механічні сита.

Класифікацію порошків з розміром частинок менше 40-50 мкм здійснюють за допомогою повітряних сепараторів, що забезпечують висаджування твердих частинок із несучого газового потоку під дією на них сили притягання. В основному для цього використовують повітряно-прохідні сепаратори. (Досить ефективними апаратами для розділення є циклони-сепаратори, конструкції яких прості, а продуктивність цілком достатня). Роботу повітряних сепараторів регулюють зміною швидкості газового потоку.

1.3. Приготування сумішей

Змішування металічних порошків заключається в приготуванні однорідної механічної суміші з порошків різного хімічного і (або) гранулометричного складу, а також їх суміші з неметалічними порошками.

Задача змішування перетворення сукупності частинок твердих компонентів при їх початковому довільному розподіленні між собою в макрооднорідну суміш. Швидкість і результат змішування багато в чому визначаються формою і величиною частинок, гранулометричним складом (загальним і кожного компоненту окремо), кількістю компонентів, що змішуються і співвідношенням їх кількостей, густинами компонентів та їх відмінністю, коефіцієнтом тертя між частинками, здатністю частинок до злипання, ступенем зміни гранулометричного складу при змішуванні.

Ефективність змішування і його інтенсивність залежать від конструкції змішувача, яка визначає швидкість траєкторії переміщення частинок і зміну гранулометричного складу в результаті роздавлювання і стирання компонентів.

Час змішування складає від однієї до декількох годин. Надлишковий час змішування безкорисний і може бути навіть шкідливим, якщо при цьому відбувається доподрібнення або йдуть небажані реакції між компонентами, чому може сприяти розігрів суміші. Повністю гомогенізована суміш повинна мати однаковий хімічний і гранулометричний склад в будь-яких мікрооб’ємах.

При змішуванні великої кількості одного компоненту з малою кількістю другого раціонально застосовувати багатоступінчате змішування: компонент, якого мало, спочатку змішують з частиною другого компоненту, а потім отриману суміш змішують іншою кількістю другого компоненту.

Найбільш розповсюдженим є механічне змішування компонентів в кульових млинах. При цьому змішування супроводжується одночасним подрібненням компонентів. Якщо це небажано, використовують змішувачі барабанні, шнекові, відцентрові, планетарні або конусні і пристрої безперервної дії.

В загальному випадку рівномірний розподіл частинок порошків в об'ємі суміші досягається тим легше і швидше, чим ближчі густини компонентів, що змішуються. Найбільша інтенсивність змішування спостерігається в початковий момент і, навпаки, однорідність суміші майже не змінюється в кінці процесу.

Змішування найчастіше відбувається в таких середовищах як повітря або будь-який інший газ (найчастіше інертний) і рідина (вода, спирт, бензин і т.д.). У рідкому середовищі змішування, яке називається мокрим, проходить значно інтенсивніше, ніж в газовому, однак, це не завжди економічно вигідно.

Результати змішування контролюють або по фізико-технологічним властивостям шихти (гранулометричний склад, насипна густина, текучість, пресуємість, а також фізичні і механічні властивості спечених тіл), або хімічним аналізом проб.

Необхідно пам'ятати про можливість появи, особливо при довгому зберіганні суміші, своєрідної сегрегації, тобто розшарування компонентів з різними густинами. Приготування порошкової суміші звичайно завершує цикл підготовки порошків до формування.

2. Процеси, що проходять при пресуванні

Пресування являє собою формування металічного порошку під дією тиску. Вже при насипанні порошку в форму поверхневі шари частинок сприймають контактне навантаження. У зв’язку з цим дійсні величини контактних тисків внаслідок малої кількості величини початкових поверхонь дотикання досягають таких значень, при яких виникають пластичні деформації або місцеві руйнування.

Під контактною поверхнею мають на увазі ту частину загальної зовнішньої поверхні всіх частинок порошку або брикету, яка характеризується дотиканням частинок між собою і через яку передаються напруження. Контактна поверхня може бути досліджена візуально (після руйнування зразка по відбитках на частинках) або ж шляхом вимірювання електроопору за формулою:

,

де S_H – номінальне січення зразка;

S_K – величина контактної поверхні в цьому номінальному січенні зразка;

λ – питома електропровідність;

λ_к – контактна (реальна) питома електропровідність пористого зразка.

Сутність процесу пресування порошку заключається в зменшенні його початкового об'єму обтискуванням, тоді як при деформуванні компактного матеріалу його об'єм залишається постійним (змінюються тільки геометричні розміри). Об'єм порошкового тіла при пресуванні змінюється в результаті заповнення пустот між частинками за рахунок їх зміщення і пластичної деформації.

При пресуванні часто спостерігається неоднорідний розподіл густини по об'єму брикету як в осьовому так і в радіальному напрямі, що обумовлено затратою зусилля пресування на подолання зовнішнього тертя порошку в елементи прес-форми (стінка внутрішньої порожнини матриці і торцеві поверхні верхнього і нижнього пуансонів). Тертя між частинками не викликає появи градієнта густини по висоті і січенню брикету.

При односторонньому пресуванні щільність зростає в напрямку верхнього пуансона. При чому частинки біля стінки внутрішньої порожнини матриці прес-форми просуваються на меншу відстань, ніж в центральній частині брикету. В горизонтальному напрямі у верхньому шарі під пресуючим пуансоном густина зростає від центра до периферії, а в нижньому шарі - навпаки.

При двохсторонньому пресуванні (коли тиск до брикету прикладається одночасно зверху і знизу) більш щільними виявляються верхня і нижня частини брикету, тоді як в середині зберігається зона пониженої густини, яку називають нейтральною.

Нерівномірна густина брикету може мати прямий вплив на спотворення форми і розмірів брикету при спіканні, а також викликати небажану зміну властивостей спеченого виробу.

3. Бічний тиск

Порошок у прес-формі під час ущільнення у відомому ступені веде себе аналогічно рідині і намагається розтікатись в сторони, в результаті чого виникає тиск на стінки прес-форми, який називають бічним.

Однак, на відміну від рідини, яка рівномірно передає прикладений до неї тиск у всіх напрямках, в порошку спостерігається значна нерівномірність його розподілу. В результаті ступінь стискання порошку в різних січеннях неоднаковий, а на бічні стінки прес-форми передається значно менший тиск, ніж в напрямку пресування, в основному із-за тертя між частинками, заклинювання та інших факторів, що утрудняють переміщення частинок в сторони. В зв'язку з цим важливою величиною є так званий коефіцієнт бічного тиску ξ, що являє собою відношення бічного (горизонтального) тиску (р_г), тобто тиску порошку на одиницю поверхні стінки прес-форми, до тиску пресування (р):

ξ= р_г/p≤1;

ξ= р_г/p=μ/(1- μ), а μ=ξ/(1+ξ),

де μ – коефіцієнт Пуасона.

Бічний тиск зменшується по висоті брикетів так як сили тертя, які виникають між частинками порошку, що переміщаються і стінками прес-форми, зменшують величину осьового тиску пресування.

4. Тертя

Розрізняють тертя зовнішнє і міжчасткове, причому тільки перше з них приводить до нерівномірного розподілу густини в об’ємі брикету через втрати зусилля пресування на його подолання.

Найважливішим практичним наслідком прояву міжчасткового тертя слід вважати утрудненість течії порошку під прямим кутом до напряму пресування, в зв’язку з чим неможливо отримувати високі густини у відповідних зонах брикету. Тому пресування виробів, профіль яких в напрямку пресування змінюється, відбувається важко, а часто взагалі неможливо.

В загальному випадку втрати зусилля пресування на зовнішнє тертя мають залежати від коефіцієнта тертя в парі матеріал брикету – матеріал прес-форми, схильності до схватування в цій парі, якості обробки стінок прес-форми, наявності змащування, висоти насипки порошку, що пресується (навіски), і діаметра прес-форми.

5. Тиск виштовхування

Наявність зовнішнього тертя порошку в стінки прес-форми визначає зусилля, що необхідне для виштовхування брикету після його пресування і називається тиском виштовхування. Дуже важливо знати величину тиску виштовхування для вирішення практичних питань пресування порошків, зокрема для правильного розрахунку і конструювання прес-інструменту. Тиск виштовхування пропорційний тиску пресування і залежить від коефіцієнта зовнішнього тертя і коефіцієнта Пуасона порошку, що пресується. Звичайно тиск виштовхування приймають рівним 0,2 - 0,35 від тиску пресування і він тим більший, чим вищий брикет, що пресується і менша площа його поперечного січення.

6. Пружна післядія

Явище збільшення розміру пресовки при знятті тиску пресування, а також при випресовуванні брикету із формуючої порожнини прес-форми називають пружною післядією.

В зв'язку з цим доцільно при пресуванні витримувати сформовану заготовку під навантаженням на протязі від декількох секунд до 2-3 хвилин, що призводить до зростання густини брикету.

Основна частина пружного розширення брикету при випресовуванні протікає майже миттєво (в момент виштовхування брикету з матриці), а інша частина вимагає певного часу, аж до кількох днів. По цій причині при виготовленні виробів точних розмірів строк зберігання пресовок перед спіканням не має перевищувати кількох годин.

Величина пружної післядії залежить від характеристик порошку, що пресується (дисперсності, форми і стану поверхні частинок, вмісту оксидів, механічних властивостей матеріалу), тиску пресування, наявності та кількості змащування, пружних властивостей матриці й пуансонів та інших факторів.

Ефект пружної післядії по висоті брикету більший, ніж в поперечному напрямку, і складає до 5 - 6% (в порівнянні з 1 - 3%).

Пружна післядія частково знімає напруження на контактних ділянках, що приводить до зменшення їх кількості і сумарної площі. Розрив контактів між частинками може викликати порушення цілісності пресовок, що називається розшаруванням, в тому числі появу тріщин, а інколи і руйнування брикету.

По мірі збільшення тиску пресування пружна післядія спочатку зростає (в брикеті відбувається формування і збільшення міжчасткових контактів), а потім знижується, так як міцність контактних ділянок спресованого брикету збільшується. Пружна післядія в брикетів із порошків крихких і твердих матеріалів більша, ніж у брикетів із м’яких і пластичних металічних порошків, так як при одному і тому ж тиску пресування міцність пресовки із більш твердих матеріалів менша і для них зростає роль пружної деформації в порівнянні з пластичною.

Застосування при пресуванні змащування дозволяє зменшити величину пружної післядії.

7. Пресування зі змащуванням

Застосування змащування при пресуванні – один з кращих способів зменшення тертя і покращення процесу ущільнення порошку, в результаті чого коефіцієнт бічного тиску збільшується, густина брикету підвищується і забезпечується більш рівномірний розподіл її по об’єму.

Змащення, що знижує тертя між порошком і стінками матриці прес-форми і не має суттєвого впливу на порошок, отримало назву інертного на відміну від поверхнево-активного змащення, яке впливає на тертя між частинками і викликає руйнування чи полегшує їх деформацію за рахунок адсорбційного зниження міцності.

Для змащування застосовують масла, олеїнову кислоту, полівініловий спирт, гліцерин, каніфоль, камфору та інші речовини.

Ефект від застосування змащування виражається у зменшенні коефіцієнтів зовнішнього і міжчасткового тертя, зниженні тиску пресування, (необхідного для отримання брикету заданої густини) і тиску виштовхування, підвищенні рівномірності розподілу густини по об'єму брикету і зменшенні чи запобіганню схватування в парі брикет – матриця прес-форми, а також у збільшенні стійкості прес-форм. Змащування збільшує зусилля, що передається на нижній пуансон при пресуванні.

Найбільш суттєвий вплив на процес пресування має поверхнево-активне змащення. Це пояснюється зниженням міцності тонких поверхневих шарів металічних частинок при адсорбуванні на них мастила і проникнення його в тріщини, пори та інші дефекти поверхні, що полегшує деформування і руйнування частинок та сприяє ущільненню.

Порошок, що оброблений активними мастилами, володіє підвищеною стійкістю проти корозії. Однак застосування мастил, особливо поверхнево-активних, зменшує міцність спресованих брикетів і допустиме тільки для порошків, брикети з яких достатньо міцні.

Порошки твердих та крихких матеріалів пресують із застосуванням клейких та пластифікуючих добавок (парафін, каучук та ін.), які полегшують ковзання і забезпечують склеювання частинок порошку.

Велике значення має спосіб застосування мастил: добавка в порошок, що пресується, змащення стінок прес-форми чи комбіноване застосування цих двох способів.

При виборі мастила необхідно враховувати його вплив на технологічні властивості порошку (насипну густину і текучість) і на властивості спресованих і спечених виробів.

8. Міцність пресовок

Міцність пресовок визначається як механічним зачепленням і переплетенням поверхневих виступів і нерівностей частинок порошку, так і дією міжатомних сил зчеплення, ступінь прояву яких зростає із збільшенням контактної площі.

Для порошкових пресовок міцність зростає не із збільшенням твердості (як у компактних матеріалів), а з її зменшенням і ростом пластичності металу, так як в пластичних матеріалів в результаті більш швидкого заповнення контактних мікронерівностей в безпосередній контакт вступає більша кількість атомів суміжних поверхонь, що сприяє прояву атомних сил зчеплення.

Розглядаючи залежність збільшення міцності брикету від тиску пресування, можна відмітити три етапи: на першому етапі (низькі тиски пресування) міцність зростає швидше ніж тиск; на другому етапі (середні тиски) міцність зростає пропорційно тиску і на третьому етапі (високі тиски) міцність зростає повільніше ніж тиск.

За інших рівних умов на міцність брикетів значний вплив має гранулометричний склад порошку.

Великий вплив на міцність пресовок має насипна густина порошку γ_нас, точніше коефіцієнт обтиснення: К = γ_пр / γ_нас. Чим більший К при даній густині пресовки γ_пр тим сильніше обтиснення порошку і тим міцніший спресований брикет.

Міцність пресовок залежить від забруднення порошків і при значному вмісті оксидів знижується. Це пояснюється збільшенням твердості поверхні частинок при одночасному зниженні їх пластичності і зменшенні металічної контактної поверхні.

Прийнято характеризувати брикети міцністю на стиск і на згин, так як міцність на розрив невелика.

9. Брак при пресуванні та фактори, що сприяють його появі

Найчастішим і найнебезпечнішим видом браку є поперечні або діагональні тріщини.

Поява тріщин обумовлена руйнуванням частинок при пресуванні, пружним розвантаженням контактів і тим, що при виштовхуванні спресованого брикету з матриці відбуваються два протилежних процеси розширення пресовки по виходу з матриці і поступове розширення самої матриці.

 

Рис.7. Схема зміни розмірів брикету і матриці прес-форми при випресовуванні

Часто при пресуванні спостерігається нерівномірна густина в окремих місцях деталі, непропресовка чи недопресовка, викликані нерівномірним розподілом матеріалу по об'єму прес-форми, низьким тиском пресування або завищенням навіски порошку.

Крім того, можливий також брак за розмірами, пов’язаний з неправильною конструкцією або розмірами прес-форми, неточністю дозування порошку чи порушенням режиму пресування (завищення або заниження тиску пресування).

Брак при пресуванні звичайно складає 2-3%. Браковані за певними ознаками вироби можуть бути повернені у виробництво після відповідного подрібнення. Деколи такий порошок невеликими порціями підмішують до вихідного матеріалу. Однак при цьому може відбуватись деяке зниження механічних властивостей спечених виробів.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Date: 2015-05-09; view: 846; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...