referat_TKM (Композиционные и порошковые материалы), страница 2

В оптико-механических и других приборах применяют высоко­прочные порошковые сплавы системы А1–Zn–Mg–Си (ПВ90, ПВ90Т1 и др.). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релакса­ционной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают тер­мической обработке по режимам Т1 и Т2 (см. c. 396).

Применяют гранулированные специальные сплавы c высоким содержанием Fe, Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов, мало растворимых в твердом алюминии. Гранулы – литые ча­стицы диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 10⁴–10⁶°С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При последующих технологических на­гревах (400–450°С) происходит распад твердого раствора c об­разованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные мате­риалы (1–3% пористости) из порошков углеродистой и легиро­ванной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, кор­пусов подшипников, деталей автоматических передач и других деталей машин.

Изготовляют большое количество порошковых конструкционных (СП10-1 ... СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и дру­гих сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих случаях уступают свойствам сталей, полу­ченных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются σ_В, σ_0,2, KCU, а порог хладноломкости t₅₀ повышается даже при уве­личении пористости более 2%. С повышением содержания кисло­рода более 0,01% снижается KCU и повышается t₅₀.

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоко­нагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкцион­ная сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2, БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электро­технической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алю­миний, «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый сплав и число после дефиса – плот­ность материала в процентах. Буквы («Д» – медь, «Ж» – же­лезо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и элек­тропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хо­рошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокра­щению или полному исключению механической обработки. Вслед­ствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при из­готовлении деталей простой симметричной формы (цилиндриче­ские, конические, зубчатые), малых массы и размеров. Конструк­тивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Кон­струкция и форма детали должны позволять равномерно запол­нять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распреде­ление напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

3.1. Приготовление смеси

Процесс приготовления смеси состоит из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной обработки.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки – воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (па­рафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легко­плавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно грану­лируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, бара­банных мельницах и других смешивающих устройствах.

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения технологических свойств порошков.

3.2. Способы формообразования заготовок и деталей

Рис.1. Схемы холодного прессования:
а – одностороннее; б – двустороннее

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и про­каткой.

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определен­ное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансо­ном 1 (рис.1, а). В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается по­ристость, деформируются или разру­шаются отдельные частицы. Проч­ность получаемой заготовки обеспе­чивается силами механического сцеп­ления частиц порошка, электростати­ческими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление рас­пределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы. Это является причиной полу­чения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прес­суемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием (рис.1, а) изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием (рис.1, б) получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30–40%.

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении прессования составляет 0,3–0,5% и 0,1–0,2 – в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм.

Давление прессования составляет 200–1000 МПа в зависимости от требуемой плотности, размеров, формы прессуемой детали, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет резко (в 50–100 раз) уменьшить потребное давление. Рабочие детали пресс-форм изготовляли из высоколегированных, инструментальных сталей и твердых сплавов.

Горячее прессование. При таком прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки с целью получения готовой детали. Горячим прессованием получают детали из твердых сплавов и специальных жаропрочных материалов. Изготовляемые детали характеризуются высокой прочностью, плотностью и однородностью материала. При горячем прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура порошка позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс-форм (4–7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

Рис.2. Схема гидростатического
прессования

Гидростатическое прессование. Это прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1 (рис.2). Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры.

Рис.3. Схема прокатки
порошков

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Процесс получения заготовок

заключается в выдавливании порошка через комбинированное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор до 10–12% от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброван­ного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с при­менением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гид­равлических и механических прессах.

Прокатка. Этот способ – один из наибо­лее производительных и перспективных спо­собов переработки металлокерамических ма­териалов. Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками (рис.3, а). При вращении валков 3 происхо­дит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Про­цесс прокатки может быть совмещен со спе­канием и окончательной обработкой полу­чаемых заготовок. В этом случае лента про­ходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечи­вающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты из различ­ных металлокерамических материалов (пори­стых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой (рис.3, б) изго­товляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02–3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного про­филя, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до несколь­ких миллиметров.

3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порош­ков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6–0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже темпе­ратуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания реко­мендуется проводить за три этапа: I – нагрев до температуры 150–200° С (удаление влаги); II – нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III – окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30–—90 мин. Увеличение времени и тем­пературы спекания до определенных значений приводит к увели­чению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению проч­ности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окис­ления спекают в нейтральных или защитных средах, а для по­вышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в спе­циальных стальных пресс-формах или продавливанием прутко­вого материала через калиброванное отверстие. При этом по­вышается точность и уплотняется поверхностный слой заго­товки.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, на­резание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессова­нием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Особен­ностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработ­кой также нежелательна, так как в процессе резания масло вы­текает из пор и, нагреваясь, дымит.

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза. Для сохранения пористости при обработке необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент.

3.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из
металлических порошков

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования (рис.4, а, 1). Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования (рис.4, б, 5), или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. По­этому в их конструкциях нельзя допускать значитель­ной разностенности (рис.4, а, 2), которая вызы­вает коробление и образова­ние трещин.

При незначительной разностенности в процессе прес­сования получают более рав­номерную плотность по вы­соте детали (рис.4, б, 6). Длинные тонкостенные кон­струкции (рис.4, а, 3) необходимо заменять на рав­нозначные по эксплуатацион­ным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали (рис.4, б, 7). Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

Рис.4. Примеры конструктивного оформления металлокерамических деталей: а – нетехнологические конструкции; б – технологические конструкции

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения за­готовки (рис.4, б, 8), обратная конусность недопустима (рис.4, а, 4). Радиусы перехода сопрягающихся поверхно­стей должны быть не менее 0,2 мм.