книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

2) изготовление уникальных композиционных материалов, производство которых невозможно другими методами – материалов, сочетающих компоненты с существенно различающимися физикомеханическими свойствами, например, «сталь–бронза», «сталь– карбид», с дискретным или слоистым распределением компонентов.

При переводе деталей с од-
нородной структурой на изго-
товление	методами порошко-
вой металлургии		необходимо
несколько изменять их конст-
рукцию с целью повышения тех-
нологичности. Следует учиты-
вать, что масса деталей не долж-
на превышать 5–10 кг; огра-
ничивается	она	мощностью
прессового оборудования. Пло-
щадь поперечного сечения дета-
ли может составлять 0,5–60 см2,
высота 2–60 мм. Обычно самым
простым технологическим про-			Рис. 3.14. Технологическая схема
цессом является холодное соос-			с одним соосным прессованием
ное прессование (рис. 3.14).			и спеканием

Неравномерная плотность заготовки иногда приводит к расслоению, короблению и трещинообразованию в процессе спекания и возникновению концентраторов напряжений при эксплуатации, что особенно важно для деталей сложной формы. Поэтому для изготовления изделий со сложной формой и точными размерами применяют схему с двойным прессованием и двойным спеканием (рис. 3.15). Для изготовления изделий сложной геометрической формы используют прием сборки его из нескольких простых частей, которые затем собирают и «склеивают» с помощью инфильтрата (рис. 3.16).

Соосное прессование порошков. Основные части набора инст-

рументов, используемые в ПМ: матрица, в которой находится порошок и пуансоны, которые используются для создания давления

111

Рис. 3.15. Технологическая схема с двойным соосным прессованием, двойным спеканием и калибровкой

Рис. 3.16. Составное изделие сложной формы

112

из закаленной инструментальной стали или
спеченных карбидов (рис. 3.17). Для малой
серии матрицы из обычной стали для реза-
ния могут быть, конечно, более эконо-
мичными. Достоинством	использования
металлокерамических частей является спо-
собность получения деталей точных разме-
ров и с высоким качеством поверхности,
которое устраняет потребность использо-		Рис. 3.17. Пресс-инстру-
вать обработку на станке. Стойкость сталь-		мент для соосного прес-
ной матрицы составляет	приблизительно	сования: 1 – пуансон
200 000 прессовок, а твердосплавной мат-		верхний; 2 – матрица; 3 –
рицы – 1 000 000 деталей и больше.		пуансон нижний

На рис. 3.18 показано, что главным преимуществом технологии ПМ является то, что она становится конкурентоспособной уже после изготовления 30 000 шт. деталей благодаря меньшей себестоимости технологии ПМ в сравнении с базовой.

Рис. 3.18. Сравнительные экономические показатели литья и ПМ: 1 – изменение стоимости производства при получении детали литьем; 2 – изменение стоимости производства при изготовлении детали ПМ в зависимости от количества изделий; 3 – фиксированная цена при получении детали литьем; 4 – фиксированная цена при изготовлении детали ПМ (данные фирмы

«Olivetti»)

113

Часто для удовлетворения жестких требований к размерам и форме изделия традиционного метода холодного соосного прессования бывает недостаточно, и используют специальные методы порошковой металлургии:

•изостатическое формование – в эластичной или деформируе-

мой оболочке в результате всестороннего сжатия в условиях нормальных или повышенных температур;

•импульсное формование, при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 с;

•мундштучное формование – продавливание через отверстие, соответствующее по форме и размерам поперечному сечению порошковой формовки;

•шликерное формование и литье под давлением – заполнение суспензией металлического порошка (МП) (шликером) формы с последующим удалением жидкости и спеканием;

•прокатка МП в прокатном стане или его штамповкой;

•экструзия МП.

Шликерное литье – это формование путем заливки шликера, представляющего собой однородную концентрированную суспензию порошка в жидкости, в пористую форму с последующей сушкой. Шликер – суспензия, содержащая металлический (или керамический) порошок и связующее жидкое вязкое вещество (парафин, воск, раствор ПВС и даже тела медуз). Шликерное литье позволяет изготавливать детали сложной формы, пористые материалы из металлических и керамических порошков.

Как правило, шликером наполняют гипсовую или металлическую форму, являющуюся негативом требуемой конфигурации.

Технология включает в себя: подготовку порошка, подготовку связующего, приготовление шликера, заливку шликера в матрицу, сушку заготовки, удаление связующего, спекание заготовки.

Основные свойства шликера:

• текучесть – свойство, обратное вязкости, характеризующее способность шликера литься, заполнять форму, набирать отливку;

114

• устойчивость – способность шликеров не расслаиваться в течение определенного времени. Различают два вида устойчивости шликеров: седиментационную (кинетическую) и агрегативную. Седиментационная устойчивость связана с оседанием частиц под действием сил тяжести и зависит в основном от размеров частиц и их концентрации в шликере: содержание твердой фазы определяет вязкость шликера; соотношение Т:Ж составляет примерно 5:1 и 6:1.

Влияние твердой фазы на свойства шликеров. Свойства шлике-

ров зависят от следующих характеристик твердой фазы: полярности, плотности, смачиваемости, дисперсности частиц, их формы и распределения по размерам и т. п. Природа твердой фазы, главным образом поверхностная энергия, определяет способность ее смачиваться различными жидкостями.

Для получения удовлетворительных шликеров необходимо, чтобы твердые частицы хорошо смачивались жидкой фазой, а это может быть выполнено только в том случае, когда силы притяжения между молекулами жидкости окажутся слабее сил притяжения между молекулами жидкости твердого тела. При плoxoм смaчивaнии частиц порошка жидкостью возможно увеличение содержания воздуха в шликере, воздух нарушает целостность поверхностного слоя. Дисперсность частиц, распределенных в шликере, определяет его свойства, такие как устойчивость, вязкость, и сказывается на плотности шликера после спекания. С уменьшением размеров частиц вязкость шликеров должна возрастать. Для оптимальной укладки порошков прерывных зерновых составов разработаны следующие требования. Размер зерен каждой следующей фракции должен быть значительно меньше размеров промежутков предыдущей фракции (в 8–10 раз и более). Оптимальное соотношение двух соседних фракций соответствует такому, при котором более мелкая фракция полностью заполняет промежутки между частицами крупной фракции. Содержание каждой следующей фракции можно рассчитать по формуле Андреазена:

V = 100(d/D)q,

115

где V – процентное содержание фракции с размером зерна менее d; D – максимальный размер зерна; q – показатель степени, определяемый экспериментально, обычно q = 0,5.

Влияние жидкой фазы на свойства шликеров. В качестве жид-

кой фазы шликера используют воду, спирты, органические растворители, парафин и т. п. Выбор жидкой фазы для шликерного литья любого материала должен быть индивидуальным, так как при образовании шликера жидкость по-разному взаимодействует с материалами.

К жидкой фазе предъявляют следующие требования: отсутствие химического взаимодействия с твердой фазой, нерастворимость твердой фазы в дисперсионной среде, относительно низкое давление паров над поверхностью жидкости, отсутствие воспламеняемости, низкая токсичность, малая вязкость, способность растворять добавки, улучшающие литье, отсутствие взаимодействия с материалом форм.

Свойства металлических порошков обычно предопределяют их поведение при спекании. Так, на спекание порошков влияют величина и форма частиц порошка, состояние поверхности, содержание оксидов. Температура спекания, как правило, составляет 0,6–0,9 температуры плавления. Время спекания изменяется в довольно широких пределах (от нескольких минут до нескольких часов) и зависит от состава и плотности материала, размеров спекаемых изделий, конструкции печи и т.д.

Еще один процесс изготовления формовок – литье под давлением, или инжекционное формование. Металлический порошок, используемый в процессе, смешивается с органической связующей добавкой, для того чтобы получить массу, по консистенции подобную замазке, которая вводится в изложницу при повышенной температуре таким же образом, как и при изготовлении пластмассовых изделий. Полученная заготовка имеет удельный вес более 99 % от теоретической и высокую точность размеров. Схема технологического процесса приведена на рис. 3.19. К процессу предъявляется множество специальных требований. Одним из таких требований является состав связующей добавки. Она должна смачивать порошковые материалы и способствовать

116

Рис. 3.19. Схема технологического процесса инжекционного формования

117

формированию однородной массы, противостоять искажению формы или распаду. При разработке этого метода было проведено множество исследований и опытов, поэтому сейчас имеется множество различных составов связующей добавки.

В отношении металлических порошков также есть специальные требования. Чтобы получить сырье, готовое для засыпки и обеспечить однородную засыпку порошка, порошок должен быть очень чистым, иметь форму частиц близкую к сферической, нужно ограничивать количество добавки, которая может составлять порядка 50 % изделия. Использование чистых и мелких порошков дает преимущество, так как такие порошки более легко спекаются благодаря их большой удельной поверхности.

Удаление связующего вещества является медленным процессом, который в зависимости от толщины самой толстой стенки занимает от нескольких часов до нескольких дней. Время для удаления связующего вещества, которое зависит от толщины стенки, было первым в списке причин, почему процесс в настоящее время ограничен и используется для изготовления очень малых деталей. Поскольку первоначальная прессовка имеет большую долю связующего вещества (до 50 %), усадка при спекании очень велика, поэтому необходимы хорошие допуски на размер.

Изостатическое прессование обеспечивает геометрию прессовок, которую невозможно получить при однонаправленном прессовании: длинные цилиндры и детали с переходами по высоте. Изостатическое прессование – процесс, который находит все большее применение. В холодном изостатическом прессовании порошок засыпается в гибкую изложницу из полиуретана, которая погружается в жидкость.

Таким образом порошок уплотняется с одинаковым давлением во всех направлениях, и, так как не требуется никакой смазочный материал, может быть достигнута высокая и однородная плотность (рис. 3.20). Процесс позволяет достигать геометрии прессовок, которую невозможно получить при однонаправленном прессовании. Длинные цилиндры и детали с переходами не представляют для это-

118

го процесса сложности. Он все более автоматизируется и усовершенствуется. Процесс холодного изостатического прессования сейчас используется не только в ПМ, но и в изготовлении керамики.

Рис. 3.20. Схема изостатического прессования в резиновой оболочке

Широкое применение в процессе формования порошков также находит горячее изостатическое прессование. В этом случае невоз-

можно использовать жидкую среду и обычно используют аргон. Процесс используется для производства заготовок из суперсплавов, быстрорежущих сталей, титана, керамики и т.д., где целостность материала – главная задача. Важное преимущество процесса состоит в том, что он позволяет более разнообразить форму и размер прессовок (рис. 3.21) – конические шестерни, тонкостенные трубчатые сверла с отношением длины к диаметру до 7.

Разработка метода напускания воздуха позволила достигнуть допусков меньше на ±0,5 %, что превосходит метод соосного прессования при изготовлении некоторых форм, например длинных труб.

Автоматизированный процесс изостатического прессования в резиновой оболочке позволяет производить прессовку каждые 7 с, что намного быстрее соосного прессования и литья под давлением. При изостатическом прессовании в резиновой оболочке можно исполь-

119

Рис. 3.21. Разнообразие форм и размеров прессовок, полученных методом изостатического прессования в резиновой оболочке

зовать порошки со средним размером частиц в пределах от нанометров до нескольких десятков микрон. Также в процессе не возникает трение между стенками матрицы и порошком благодаря использованию сплава Ti и абразивных порошков, в том числе содержащих алмазный порошок для режущих инструментов, которые хорошо подходят для изостатического прессования в резиновой оболочке. Оба эти материала трудно формовать соосным прессованием. Удаление связующего вещества и смазок способствует снижению содержания углерода. Стоимость и время изготовления изложницы отливкой из жидкого каучука значительно ниже по сравнению с другими методами изготовления изложницы из латуни или пластмасс.

Изостатическое прессование в резиновой оболочке объединяет элементы соосного прессования и холодного изостатического прессования. Преимуществом этого метода является значительная гибкость формы и размеров прессовок, более дешевый набор инструментов и удаление загрязнения от связующих и смазочных материалов.

Горячее прессование позволяет получать детали сложной формы с высокими требованиями к геометрии и размерам, беспористой

120