Формование порошков.

Формование – Это технологическая операция получения изделия или заготовки заданной формы, размеров и плотности обжатием порошков. Уплотнение порошка осуществляют прессованием в металлических пресс-формах или эластичных оболочках, прокаткой, шликерным литьем суспензии и др. методами.

Способ подготовки порошков к формованию выбирают исходя из физических и технологических характеристик порошка, метода формования и последующей термообработки (спекания), требуемых свойств в условиях эксплуатации.

Физические свойства порошков – размер и форма частиц, Микротвердость, плотность, состояние кристаллической решетки; технологические свойства: насыпная масса, текучесть и спекаемость порошка.

Насыпная масса – масса единицы объема свободно насыпанного порошка. Стабильность насыпной массы обеспечивает постоянную усадку при спекании. Она зависит главным образом от формы и размеров частиц.

Текучесть – способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Оценкой текучести является количество порошка, вытекаемого в 1 с через отверстие диаметром 1,5…4 мм. Текучесть порошка имеет большое значение, особенно при автоматическом прессовании, при котором производительность пресса зависит от скорости заполнения формы. Низкая текучесть способствует также получению неоднородных по плотности деталей.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

Спекаемость – прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

Для металлических порошков основными подготовительными операциями перед формованием являются отжиг, просеивание по фракциям и смешивание.

Отжиг проводят для повышения пластичности и прессуемости порошков в защитной среде при температуре (0,4…0,6)Т_пл. Отжиг способствует восстановлению оксидов и снимает наклеп, возникающий при механическом измельчении исходного материала. Отжигу подвергают обычно порошки, полученные механическим измельчением.

Порошки разделяют на фракции по величине частиц с использованием вибросит. Разделение производят также с помощью воздушных сепараторов и седиментации (разделения жидких смесей). В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовок высокого качества; легкоплавкие материалы, улучшающие процесс спекания; различные летучие вещества для получения деталей с заданной пористостью.

Приготовление однородной по объему механической смеси осуществляют путем смешивания порошков в специальных смесителях.

П ри холодном прессовании в пресс-форму 2 засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1. 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 заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы, вследствие чего заготовки получаются с различными прочностью и плотностью по высоте.

О дносторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки менее 3.

Двустороннее прессование (справа) применяют для формообразования заготовок сложной формы. В этом случае необходимое давление для получения равномерной плотности снижается на 30…40%. При двустороннем прессовании увеличивается равномерность распределения плотности.

Использование вибрации при прессовании повышает плотность прессовки. Импульсные методы формования применяют для труднопрессуемых порошков или если необходимо получить особые свойства материала.

После снятия давления, а также при выпрессовке брикета из пресс-формы размеры прессовки увеличиваются (явление упругого последействия).

Для повышения и более равномерного распределения плотности прессовки по высоте используют смазку стенок матрицы пресс-формы, что уменьшает коэффициент внешнего и межчастичного трения.

Формование порошка осуществляют также в гидро- и газостатах (изостатическое), прокаткой, на гидродинамических машинах и с использованием взрывчатых веществ (импульсное), на вибрационных установках (вибрационное), продавливанием через отверстие в инструменте (экструзия или мундштучное прессование), заливкой в формы – шликерное литье, при котором в форму заливают суспензию, содержащую порошок и жидкую связку.

Изостатическое формование осуществляется в условиях всестороннего сжатия, что обеспечивает не только равномерную плотность, но и устраняет анизотропию свойств. Применяют для получения заготовок из композиций с порошковыми и волокнистыми наполнителями. Отсутствие потерь на внешнее трение и равномерность давления со всех сторон дают возможность получать необходимую плотность заготовок при давлениях, значительно меньших, чем при прессовании в закрытых пресс-формах. В настоящее время применяют три основных вида изостатического прессования:

1 . Гидростатическое формование (рисунок слева), при котором на порошок, заключенный в эластичную оболочку, передается давление с помощью жидкости, находящейся в сосуде высокого давления. В качестве рабочей жидкости используют масло, глицерин, воду и т.д.

2. Формование с помощью толстостенной эластичной оболочки, вставленной в стальную пресс-форму, с целью получения крупногабаритных заготовок типа труб. Оболочка в данном случае изолирует порошок от стенок инструмента и служит средой, которая передает давление на прессуемые изделия. В качестве материала для оболочек используют парафин, воск, резину.

3. Горячее формование, позволяющее технологически совместить процессы формообразования и спекания. В качестве среды, передающей давление, применяют инертный газ, расплавленные металл или стекло. Прессуемую заготовку помещают в эластичную металлическую оболочку.

П рокатку порошков применяют для изготовления заготовок из конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных, пористых (фильтрующих) материалов. Характерными особенностями прокатки являются высокая степень автоматизации и непрерывность процесса прокатки. Порошок непрерывно поступает из бункера в зазор между валками (рисунок слева). При вращении валков происходит обжатие и вытяжка порошка в ленту или полосу определенной толщины.

Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке для получения листов заданных размеров.

Число обжатий, необходимое для получения беспористой ленты, зависит от пластичности порошка и режимов прокатки.

М ундштучное прессование используют для получения прутков, труб и других длинномерных изделий (рисунок слева: 1 – плунжер пресса, 2 – пуансон, 3 – стальной стакан, 4 – конус, 5 – матрица, 6 – спрессованная заготовка, 7 – порошок). При этом порошок с пластификатором (парафином, поливиниловым спиртом, крахмалом и т.д.) помещенный в контейнер, выдавливается из него пуансоном через отверстие в мундштуке в виде полуфабриката. Предварительный подогрев порошка позволяет обходиться без пластификаторов. Для прессования химически активных металлов используют защитные среды или защитные оболочки из стекла, графита или металлической фольги.

Шликерное формование (шликерное литье). Этим методом получают сосуды и изделия сложной формы. Шликер представляет собой однородную концентрированную взвесь порошка в жидкости. При заливке его в пористую форму жидкость впитывается в поры и частицы порошка оседают на стенках формы с образованием твердого слоя. Продолжительность формирования слоя 1…60 мин. После удаления изделия из формы его сушат при 100…150⁰С. Относительная плотность изделий при этом около 60%. Для шликерного литья применяют сухие гипсовые формы, которые являются негативом изделия. При этом жидкость в основном впитывается гипсовой формой, а частицы твердой фазы, подсыхая, формируют отливку.