Фирменный Автосервис

 

 

Порошковая металлургия

Хатынь, Беларусь

Принцип изготовления заготовок методами порошковой металлургии заключается в образовании формы заготовки прессованием (формованием) порошков различного состава, в горячем или холодном состоянии, с последующей термообработкой (спеканием).
Варьируя состав порошковой смеси (шихты), условия прессования и процесс термообработки, легко получить заготовки с заданными свойствами, которые часто невозможно изготовить другими методами.
 Изготовление заготовок и деталей из порошков дает возможность значительно экономить металл, сократить расходы на обработку изделий и снизить их стоимость. В результате уменьшается число операций и сокращается их продолжительность, существенно упрощается производственный цикл и снижается трудоемкость
изделий.
Типовые технологические процессы порошковой металлургии включают такие операции, как приготовление порошковой шихты, формование заготовок требуемых размеров, их спекание и при необходимости последующее калибрование, химико-термические или другие виды обработки.принципиальная схема эластостатического всестороннего сжатия порошка
Из металлических порошков изготовляют шестерни, звездочки, втулки, шайбы, храповики, тройники, рычаги, кулачки, фланцы, кронштейны, ручки, петли, муфты и множество других деталей.
При получении деталей из порошковых материалов наиболее ответственным является процесс формования, так как он не только определяет форму и точность размеров деталей, но и существенно влияет на их физико-химические свойства и эксплуатационные характеристики.
В основу классификации методов формования положены следующие наиболее важные признаки: вид формующей (энергопередающей) среды, осуществляющей уплотнение порошка, и характер приложения нагрузки.
В качестве формующих или энергопередающих сред могут быть использованы различные физические среды: твердые тела при статическом прессовании порошков в жестких пресс-формах, эластомеры (резины, каучуки, полиуретаны и т.п.) — при изостатическом, жидкости (в том числе расплавы солей и металлов) — при гидростатическом, гидродинамическом и электрогидроимпульсном прессовании, газы — при газостатическом, электромагнитное поле — при магнитно-импульсном прессовании и др.
По характеру приложения нагрузки выделяют следующие основные виды формования: статическое, высокоскоростное и формование без приложения деформирующего давления. Методы статического и высокоскоростного формования разделяют по скорости деформации, максимальной скорости подвижных элементов оборудования, продолжительности воздействия давления.
Для статических процессов характерны постепенное возрастание давления до максимального значения, малые деформации и скорости деформирования (несколько сантиметров в секунду).
Высокоскоростные процессы формования характеризуются быстрым нарастанием давления, большой скоростью нагружения, составляющей десятки или даже сотни метров в секунду, ускорением рабочих элементов оборудования, превышающим десятикратное ускорение свободного падения и временем деформирования, измеряемым милли- или микросекундами. Высокоскоростные процессы разделяют на динамические (например, горячее динамическое прессование) и импульсные (например, магнитно-импульсное прессование).
Процессы формования порошков протекают при определенных уровнях давления. Методы формования без приложения деформирующего усилия можно определить как процессы, происходящие при давлении на 1 — 2 порядка меньшем предела текучести или прочности материала порошка. Процессы формования подразделяются также на периодические и непрерывные.
холодное прессование в жестких пресс-формах. Он наиболее эффективен в массовом производстве при работе на специализированных автоматических прессах, осуществляющих десятки операций в минуту. Технология статического прессования порошков в жестких пресс-формах постоянно совершенствуется. Например, внедрены процессы прессования вращающимся пуансоном, используются составные матрицы, что дает возможность получать детали сложной формы и др.
Значительный интерес представляют гидростатический и эластостатический методы прессования, обеспечивающие всестороннее сжатие порошка, что позволяет исключить или свести к минимуму недостатки, присущие прессованию в жестких закрытых Пресс-формах. В отличие от последнего при гидростатическом формовании контактная поверхность свободна от сил трения. Поэтому требуемая величина давления для достижения одинаковой плотности в 1,5 — 2 раза меньше, чем при двустороннем, и почти в 3 раза меньше, чем при одностороннем прессовании в жестких пресс-формах. Детали, полученные гидростатическим прессованием, имеют более равномерное распределение плотности по объему. Процесс может использоваться для изготовления трубчатых заготовок и фильтров.
Непрерывное статическое прессование порошков осуществляется при поступательном или вращательном движении инструмента. Один из его перспективных видов — прямо» выдавливание, которому обычно подвергают предварительно спрессованные заготовки с относительной плотностью 0,6...0,8. Выдавливанием получают прутки, трубы, уголки, различные     профили с равномерной плотностью из различных порошковых материалов, в том числе из плохо прессуемых.
Наиболее прогрессивным методом непрерывного формования порошков является прокатка. В настоящее время освоена прокатка порошков почти всех металлов и их композиций в компактную, пористую или армированную ленту. Прокаткой можно получать также многослойные изделия.
В последние два десятилетия интенсивное развитие получили способы высокоскоростного прессования порошковых деталей. Источником энергии при этом служат взрывчатке вещества, импульсное магнитное поле, высоковольтный разряд в жидкости, горючие смеси и сжатые газы. Интерес к способа высокоскоростного прессования вызван тем, что они существенно расширяют технологические возможности порошковой металлургии, позволяют получать высокоплотные изделия из трудно деформируемых порошков с минимальными затратами времени и мощности без применения дорогостоящего оборудования. Важным технологическим преимуществом высокоскоростного прессования является возможность изготовления сложных деталей с использованием эластичных или деформируемых оболочек и одного жесткого формообразующего инструмента.
Большими возможностями обладает высокоскоростное формование в жестких пресс-формах, которое часто называют динамическим прессованием. В установках динамического прессования снаряду-пуансону сообщается кинетическая энергия, которая передается уплотняемому порошку непосредственно или через промежуточное тело. Такой принцип высокоскоростного нагружения реализован в установках с различными энергоносителями, в частности в пороховых копрах. В промышленник условиях пороховые копры применяют для изготовления небольших по размерам деталей при скорости нагружения менее 100 м/с, а также для брикетирования стружки.
Более полно достоинства динамического прессования в жестких пресс-формах реализуются тогда, когда процесс уплотнения происходит при высокой температуре. Горячее прессование порошков в состоянии свободной насыпки применяют редко. Наиболее перспективен метод динамического горячего прессования, заключающийся в кратковременном нагревании полученных холодным статическим прессованием пористых заготовок, динамическом деформировании их в закрытых или открытых штампах на быстроходных прессах и молотах и охлаждении спрессованных деталей с требуемой скоростью. Этот метод обеспечивает изготовление практически беспористых изделий.
Применение при высокоскоростном прессовании в качестве энергоносителя пороха, а в качестве энергопередающей среды — жидкости явилось основой для разработки гидродинамического прессования, при котором давление, действующее на порошок, достигает 1 500 МПа.
Значительный интерес представляют методы магнитно-импульсного и электрогидроимпульсного прессования порошков, позволяющие непосредственно преобразовывать электрическую энергию высоковольтных разрядов в механическую работу. Характерные особенности магнитно-импульсного прессования — волнообразная форма приложения нагрузки, высокая скорость деформирования (50... 250 м/с), бесступенчатое регулирование давления, возможность совмещения прессования с электронагревом, электроспеканием и др.
Волновой характер нагружения в этом случае оказывает влияние на распределение плотности и твердости в получаемой заготовке. Изменяя условия прессования, энергию источника, передающую среду, высоту брикетируемого материала (толщину заготовки), можно получать различные варианты распределения плотности и макротвердости. Адиабатическое ударное сжатие порошка может приводить к разрушению окисной пленки и оплавлению контактных поверхностей частиц, что создает благоприятные условия для повышения механической прочности в 1,5 — 2 раза.
Этот метод наиболее эффективен при изготовлении тонкостенных трубных деталей.
Из известных видов изостатического деформирования эластостатический — прессование порошка в толстостенных эластичных оболочках — является самым простым и универсальным. Этот метод не требует специального дорогостоящего оборудования. Изготовление промышленных серий различных изделий средних размеров можно эффективно осуществлять на обычных гидравлических прессах и другом прессовом оборудовании. Применение эластомеров позволяет реализовать практически любую схему напряженно-деформированного состояния в прессуемом материале.
На рис. 1 показана принципиальная схема эластостатического всестороннего сжатия порошка. Прессуемый порошок 4 помещается в составной эластичный контейнер 3, который заключен в стальной корпус 2, установленный на плите 5. Усилие пресса Р через стальной пуансон 1 передается на контейнер 3, в результате чего осевое давление преобразуется эластичной средой во всестороннее сжатие для интенсивного уплотнения порошка.
Эластомер должен обеспечивать близкое к гидростатическому давление на порошок, сохранять необходимую геометрическую форму, соответствующую форме готового изделия, обладать достаточной прочностью и остаточной деформацией, близкой к нулю.
Указанными свойствами в наибольшей мере обладают полиуретаны, каучуки, некоторые сорта резин и некоторые другие материалы. Прочность полиуретана достигает 60 МПа, удельная износостойкость в 3 раза выше, чем у стали марки СтЗ. Кроме того, он обладает масло- и бензостойкостью, что особенно важно при прессовании со смазкой. Наибольшее распространение получили полиуретаны марок СКУ-7Л, СКУ-ПФЛ, из которых методом литья можно изготовить эластичные контейнеры сложной формы. Наиболее полно преимущества применения эластомеров в качестве энергопередающих сред проявляются при прессовании изделий типа втулок, стаканов и др.
При проектировании технологического процесса следует учитывать, что поверхности прессуемых деталей, контактирующие непосредственно с полиуретаном, получаются худшего качества, а точность размеров несколько ниже, чем при деформировании в жестких пресс-формах. В ряде случаев это вызывает необходимость дополнительной механической обработки изделий. Однако путем точного расчета энергосиловых параметров процесса и формы эластичного инструмента указанные недостатки можно свести к минимуму.
Другое перспективное направление совершенствования оснастки для эластостатического прессования — рациональное сочетание жестких и эластичных элементов в конструкции, что позволяет использовать преимущества каждого способа.
При электрогидроимпульсном прессовании порошков источником импульсных давлений является высоковольтный электрический разряд в жидкости (воде), в процессе которого формируется ударная волна с амплитудой давления в сотни мегапаскалей. Ударные волны, образующиеся в жидкости, через эластичную мембрану или промежуточный поршень уплотняют порошок. Этот метод позволяет в достаточно широком диапазоне изменять энергию разряда и параметры импульсного нагружения, удобен при многократном воздействии на деформируемый объект. Требования техники безопасности при его использовании значительно менее жесткие, чем при использовании взрывчатых веществ. Метод дает возможность механизировать и автоматизировать процессы деформации.
Большинство деталей, прессуемых из порошков, имеют цилиндрическую форму (фильтры, подшипники, втулки и т.п.). При электрогидроимпульсном прессовании втулок важное значение имеет схема нагружения порошка и конструктивное исполнение пресс-формы. Принципиальная схема прессования втулок показана на рис. 2. Основными конструктивными элементами оснастки являются разрядная камера 1, заполненная водой, эластичная оболочка 2, отделяющая порошок 5 от жидкости, матрица 3, электроды 4 и 7. Уплотнение порошка происходит в радиальном направлении, т.е. в направлении наименьшей толщины. Эластичная оболочка 2 является формообразующим элементом пресс-формы, так как она передает импульсное воздействие жидкости на порошок.
В представленном устройстве прессование втулок осуществляется по схеме раздачи. Роль разрядной камеры выполняет внутренний объем прессуемой детали, заполненный жидкостью. Длина разрядного промежутка определяется длиной детали. Разряд инициируется металлической проволокой 6, замыкающей электроды 7 и 4.
Часто разрядную камеру выносят за пределы внутреннего объема втулок, что позволяет уменьшить ее объем и расстояние между электродами, легко менять форму матрицы и обеспечить прессование порошка наружным обжатием. Это дает возможность изготовлять заготовки со сложным профилем внутреннего канала.
Для придания заготовкам из порошков необходимой прочности и твердости проводят их натермообработку.
Основным видом термической обработки порошковых прессовок является спекание. Спекание — это происходящий под действием высокой температуры процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств предварительно спрессованного или свободно насыпанного порошка или волокна без расплавления основного компонента.
Спекание является одной из основных технологических операций порошковой металлургии, в процессе которой происходит превращение брикета, сформованного из порошка, в прочное спеченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного материала. Спекание изделий, сформованных из порошков, проводят в среде защитного газа или в вакууме.
Для повышения качества изделий используют горячее прессование, которое представляет собой совмещенный процесс формования и спекания, проводимый при температуре, составляющей 0,5...0,9 температуры плавления основы формуемого материала. Горячее прессование позволяет практически реализовать наблюдаемое при повышении температуры увеличение текучести материалов и получать фактически беспористые изделия, что особенно важно для хрупких металлов и соединений типа карбидов, боридов, силицидов и др.


Задачи совершенствования методов оценки качества сложной технической продукции Общие принципы процедуры оценки качества технических изделий Структура, свойства и маркировка чугуна Серые чугуны Марки чугуна Значение развития стандартизации и сертификации в машиностроении  Стратегия экономической безопасности Шпоночные соединения Методы оценки уровня качества и конкурентоспособности технических изделий Задачи совершенствования методов оценки качества сложной технической продукции 

 

Образовательный сайт Бармашовой Л.В.

Рассылки Subscribe.Ru
Современное образование
Подписаться письмом