Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

После цементации термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Т_з=760°С.

В результате поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска, а сердцевина становиться ферритно-перлитной.

1.2 Технология режима обработки резанием

Для получения детали из прессовки необходимо проточить вторую внутреннюю фаску и просверлить отверстие. Для образования фаски используем токарный одношпиндельный автомат, там же сверлим отверстие. Для этого можно использовать автомат мод. 1Б140 предназначенный для изготовления в массовом и крупносерийном производстве деталей, требующих обтачивания, подрезания торцов, сверления, зенкерования, нарезания резьбы и т. п. Технологический метод формирования поверхностей заготовок точением характеризуется двумя движениями: вращательным движением заготовки (главное движение резания) и поступательным движением режущего инструмента – резца (движение подачи).движение подачи осуществляется параллельно оси вращения заготовки (продольная подача), перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечная подача), под углом к оси вращения заготовки (наклонная подача).

Револьверная головка с шестью гнездами для инструментов имеет горизонтальную поперечную ось поворота в револьверном суппорте. Суппорт имеет продольную рабочую подачу S_п и может быстро отводиться от заготовки после завершения перехода обработки для смены инструмента в гнезде путем поворота головки на 1/6 часть оборота.

1.3 Схема пресс-формы

1.Пресс-форма – основной инструмент при прессовании порошков, основными деталями которой являются:

Ø матрица, которая обеспечивает формирование боковой поверхности прессовки;

Ø нижний пуансон, который формирует нижнюю поверхность прессовки и обеспечивает функцию выталкивания детали после прессования;

Ø верхний пуансон, который формирует верхнюю часть прессовки и передающий усилия от ползуна пресса на порошок.

При конструировании пресс-форм учитываются основные требования:

· Формирование детали заданных форм и размеров;

· Равномерная плотность по всему объему прессовки;

· Возможность наиболее простого извлечения изделия, т.е. выпрессовки;

· Простота в изготовлении, в т.ч. обеспечение простоты и доступности ремонта;

· Надежность эксплуатации;

· Долговечность, а значит рабочие детали должны иметь высокую поверхностную стойкость, прочность для противостояния деформации, стиранию, износу и т.д. [3]

2. Классификация детали по группе сложности

Все виды прессуемых из порошковых материалов изделий можно разделить на семь групп по сложности конфигурации:

· I группа – детали без отверстий с неизменным сечением по высоте, ограниченными двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными направлению прессования;

· II группа – детали с неизменным сечением по высоте, ограниченные двумя параллельными плоскостями, с одним или несколькими отверстиями в направлении прессования с соотношением высоты изделия к толщине стенки h/δ ≤ (8÷10);

· III группа – детали второй группы, но соотношением h/δ > (8÷10);

· IV группа – детали с наружным или внутренним буртом и отношением h/δ ≤ (6÷8);

· V группа – детали четвертой группы, но с соотношением h/δ > (6÷8);

· VI группа – детали без отверстий, имеющие по высоте несколько сечений и переходов;

· VII группа – детали с отверстием, имеющие несколько наружных и внутренних переходов по высоте и детали, ограниченные не параллельными плоскостями или криволинейными поверхностями; [3]

Предложенная деталь «втулка» относится ко III группе, т.к. сечение данной детали не изменяется по высоте, она ограниченна двумя параллельными плоскостями, но имеется одно отверстие диаметром 10 мм.

Высота изделия равна 20мм, а толщина 5мм, т.е. соотношение высоты изделия к толщине стенки h/δ = (20÷5), т.е. h/δ > (8÷10).

3. Расчет состава шихты аналитическим способом

Деталь формируется на основе следующих порошковых материалов: порошок железа; порошок графита; порошок меди.

Формирование шихты с использованием железа и графита позволяет обеспечить химические состав и структуру аналогичную углеродистым сталям. Содержание графита от 1 до 4% позволяет обеспечить структуру преимущественно доэвтектоидных сталей. Это связано с тем, что не весь графит взаимодействует с железом, образуя соответствующие фазы (феррит – твердый раствор углерода в α-железе, цементит – химическое соединение Fe₃C, перлит – тонкая механическая смесь феррита и цементита).Часть графита (до 75%) остается в свободном виде.

Медь нужна для стабилизации усадки при спекании детали.

Состав шихты: 92,4 Fe + 3,0 C + 4,6 Cu

Подшихтовка: 91,3 Fe + 2,5 C + 6,2 Cu

Решение:

92,4 Fe + 3,0 C + 4,6 Cu = 100% (на 7 кг порошка)

m (Fe) = 7,0/10,0*9240,0 = 6,468 кг

m (C) = 7,0/10,0*300 = 0,210 кг

m (Cu) = 7,0/10,0*460 = 0,322 кг

Подшихтовка:

91,3 Fe + 2,5 C + 6,2 Cu = 100%

Расчет производим по С, т.к. в разы большее увеличение произошло именно по С:

100 г (шихты) – 3 г (С)

Х г – 2,5 г (С)Х =2,5/3*100 = 83,33 г

Отсюда:

Х (Fe) = 92,4*83,33/100 = 76,36 г

Х (Cu) = 4,6*83,33/100 = 3,83 г

92,4 Fe + 3,0 C + 4,6 Cu = 100

76,36 Fe + 2,5 C + 3,83 Cu = 83,33

14,34 Fe + 0 С + 2,37 Cu = 16,67

Это количество чистых компонентов, которое необходимо добавить к 83,33 г. шихты материала I для получения 100 г. шихты материала II.

4. Определение массы навески порошков

Общепринятой считается расчётная формула для величины навески:

Q = γ_к * V* (I - П_с / 100)* К₁*К₂

Где Q - навеска порошка, г

γ_к — плотность беспористого материала, г/см

V - объём изделия после спекания, см³

П_с— фактическая плотность спечённого изделия, %

К₁ — коэффициент, учитывающий потери порошка при прессовании и зависящий от точности изготовления деталей пресс-формы.

К₂ - коэффициент, учитывающий потерю массы прессовкой при спекании в результате восстановления оксидов и удаления примесей, в том числе и смазки.

γ_к= 100/ (a₁/ γ₁+ а₂/ γ₂ + а₃/γ₃+...+а_n/γ_n)

где γ₁, γ₂, γ₃, γ_n - плотности отдельных компонентов

а₁, а₂, а₃, а_n — содержание отдельных компонентов в смеси.

γ_к = 100/ (92,4/7,6 + 3,0/2,2 + 4,6/8,8) = 100/(12,16 +1,36 + 0,52) = 100/14,04 = 7,123 г/см³

V = π*R²*H- π*r²*H-V_фаски

V = 3,14*20²*20-3,14*15²*20 – 359,79 = 25132,74 - 14137,17 - 359,79 = 10635,78 мм³ = 10,6358см³

Q = 7,123 * 10,6358* (1-15/100)* 1,006* 1,02 = 66,08 грамм

5. Разработка схемы участка порошковой металлургии

5.1 Выбор пресса

Некоторые детали машин должны обладать настолько специфическими свойствами, что для их изготовления непригодны монолитные металлы. Например, детали должны быть пористыми или содержать компоненты, не образующие сплавов с железом, медью и т. п. В таком случае детали изготовляют из металлических порошков или их смесей (шихты) с другими компонентами на специальных прессах-автоматах.

В зависимости от типа привода различают механические (кривошипные) и гидраалические прессы-автоматы. Механические прессы-автоматы имеют более сложное устройство и довольно дорогие, их выпускают с номинальным усилием до 1,6 МН. Гидравлический привод позволяет упростить конструкцию, но производительность таких прессов-автоматов ниже, чем механических.

Отличительные особенности прессов-автоматов для изготовления деталей из металлических порошков обусловлены свойствами исходной «сыпучей заготовки» и характером процесса деформации. Так называемый насыпной объем «заготовки» намного превышает объем летали. Поэтому в процессе деформации «заготовку» равномерно уплотняют по всему объему до заданной плотности. Для этого в инструменте необходимо предусмотреть независимость движения его отдельных частей - верхних и нижних пуансонов, матрицы, стержня выталкивателя - с использованием соответствующих механизмов.

Oтпрессованная из шихты заготовка - это еще не готовая детать, поскольку сцепление деформированных частиц порошка остается слабым. Поэтому се подвергают химико-термической обработке спеканию в специальных печах. В ходе спекания полностью протекают адгезионные процессы и заготовка становится прочной. Однако спекание сопровождается изменением размеров заготовки, и поэтому необходима калибровка спеченной заготовки. Только после этого изготовление детали с требуемыми свойствами и размерами закончено. Механические прессы-автоматы для прессования металлических порошков выполняют с нижним приводом. Станины прессов сварные, коробчатой формы. Подвижную верхнюю траверсу называют прессующей головкой. Возвратно-поступательное движение головки (при рабочем ходе сверху вниз) осуществляют посредством кривошипно-ползунного механизма подобно тому, как это делают на листоштамповочных прессах-авто матах с нижним приводом. В системе привода пресса-автомата предусмотрены коробка скоростей (до 6 ступеней) или вариатор для регулирования скорости прессования.

Силу прессования регулируют посредством эталонирования давления воздуха в пневматическом мультипликаторе гидравлического цилиндра (гидроподушки), установленного в прессующей головке. Рабочие части инструмента закреплены на плите плунжера гидравлического цилиндра. Поэтому плунжер при достижении заданного усилия прекращает свое движение, несмотря на продолжающееся перемещение прессующей головки (но аналогии с прижимом в прессе тройного действия для чистовой вырубки. Поддержание силы постоянной в течение некоторого времени предохраняет пресс от перегрузок при неправильном ведении технологического процесса, например при излишней засыпке шихты в матрицу.

Основные размеры и параметры прессов-автоматов для прессования деталей из металлических порошков 25 кН – 1 МН регламентированы ГОСТ 10480. Конструкция прессов усложняется при усложнении формы и увеличении размеров прессуемых деталей. Например, для изготовления деталей с буртами необходимо иметь два нижних пуансона с независимым приводом. Калибровку спеченных заготовок проводят на прессах-авто матах, подобных автоматам для прессования.[6]

Серийность производства 300 тыс. деталей в год.

Выберем один пресс с учетом, что на прессе автоматизированы все основные операции.

Годовой фонд работы оборудования для односменной системы равен 1945 часов за год.

Требуемое усилие прессования определяется по формуле:

Р=(р + р_тр ) * F, мН,

где F – площадь сечения прессовки в плоскости, нормальной к направлению перемещения пуансона, м²;

р – удельное давление пуансона на поверхность прессовки, необходимое для достижений требуемой плотности, мН/м² (р = 400)

р_тр – потери давления на внешнее трение. Зависит от размеров поверхности трения, типа порошка, степени износа матрицы и др. факторов. Для упрощения расчетов принимаем р_тр=0,3 р.

F= F_общ –F_отв= π*R²- π*r² = 1256,64 – 706,86 = 549,78 мм² = 0,0005498 м²

тогда Р = (400 + 120) * 0,0005498 =0,2859 мН.

Согласно рассчитанному усилию пресса, мы выбираем пресс из предложенного перечня: КО628.

5.2 Выбор печи для спекания

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 и 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 в 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 развитий 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.[7]

Суточная программа: А_ст=159 шт./час. Тогда производительность в смену равна 1272 шт./смену.

Q = 66,08 грамм = кг. Определим массу деталей произведенных за одну смену. Q_см=0,06608 *1272=84,054 кг. Данная величина необходима для расчета потребного количества печей для спекания. В данном случае целесообразно использовать две двух муфельные силитовые печи ОБ-357.

Установочная мощность40 кВт

Рабочая температура1200°С.

Производительность40 кг/час

Размер рабочего пространства380´320´2200 мм

В качестве смесителя используем нестандартное оборудование. Объем камеры смесителя можно определить по формуле V=1,4*V_пр, где V_пр – необходимый объем порошка. Объем порошка в свою очередь определяется из необходимой массы порошка и его плотности (учтем, что шихту готовят 2 раза в неделю):

V_пр= Q_см * γ_к =84054 *7,123 г/см³=598716 см³=0,598716м³

V_{смесителя}= 1,4* V_пр=0,598716м^3*1,4=0,8382 м³

Такой объем смесителя позволит получать нужное количество порошка при его приготовлении на каждую смену.

Заключение

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие:

1.сравнительно высокая стоимость металлических порошков;

2.необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии;

3.трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров;

4.сложность получения металлов и сплавов в компактном состоянии;

5.необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоинства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие. Развитие дугового, электроннолучевого, плазменного плавления и электроимпульсного нагрева позволили получать не достижимые прежде температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве несколько снизился. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, как, например, трудность приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод распыления дает возможность с достаточной полнотой и эффективностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержащиеся в металле до расплавления. Благодаря созданию методов всестороннего обжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок крупных размеров.

В то же время ряд основных достоинств порошковой металлургии – постоянно действующий фактор, который, вероятно, сохранит свое значение и при дальнейшем развитии техники.

Применение порошковой металлургии, ее развитие имеет важное значение для всего мира. Передовые страны мира такие как США и Япония ежегодно инвестируют и расширяют эту отрасль промышленности.

Не последнее место занимает порошковая металлургия и в нашей стране. Она представлена такими предприятиями как «Уральский завод твердых сплавов», «Краснопахорский завод композиционных изделий из металлических порошков» и многими другими. Неоспоримым доказательством полезности использования порошковых является то, что в период кризиса эти предприятия не только выживают, но и расширяют производство.

В настоящее время необходимо выбрать те технологии, которые мы возьмем с собой в будущее. Несомненно, что порошковая металлургия будет стоять одной из первых в этом списке. В условиях глобального роста населения, когда на свет появился шестимиллиардный житель планеты порошковая металлургия, которая дает наибольший экономический эффект при достаточно массовом производстве, по моему мнению, должна получить мощный толчок в развитии.[3]

Список используемых источников

1. Суворов, И.К. Обработка металлов давлением: Учебник для вузов / И.К. Суворов - М.: Высш. школа,1980. – 453с.

2. Курс переходной экономики: Учебник для вузов по экономическим направлениям и специальностям / под ред. Л.И. Абалкина - М.: Финстатинформ, 1997. – 237с.

3. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных вузов/Под ред. В. Э. Пуша. - М.: Машиностроение, 1985. – 256с.

4. Раковский В.С. Сакалинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении: справочное пособие / В.С.Раковский, В.В. Сакалинский – М.: «Машиностроение», 1973. – 126с.

5. Арутюнова И.А., Дальский А.Н. Технология конструкционных материалов: Учебник./ И.А Арутюнова., А.Н Дальский - М.: Машиностроение, 1985. - 450 с.

6. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов / М..В.Сторожев, Е.А. Попов - М.: «Машиностроение»,1977. – 235с.

7. Официальный сайт ООО "Внеш-Комплект".- Москва.: 2002-2008. Режим доступа: http://www.vk.com