Способы формообразования заготовок из порошков.

Составление смеси порошков.

Перед приготовлением смеси порошки дополнительно очищают, сушат, измельчают, классифицируют по размерам. Затем производят смешивание порошка в полуконических смесителях, барабанах со смещенной осью вращения, шаровых мельницах и других устройствах.

В процессе смешивания добавляют:

- жидкости (вода, лучше этиловый спирт, так как испаряется быстрее, бензин), чтобы не было сцепления между частицами;

- смазывающие и пластифицирующие добавки для облегчения формования и повышения стойкости инструмента (парафин, стеарин, олеиновая кислота, бензол);

- добавки, обеспечивающие требуемую пористость (летучие и легкоплавкие вещества);

- склеивающие вещества (глицерин, воск, раствор каучука в бензине, коллоиды и т.д.).

Все эти добавки вводятся в количестве до 1 %.

Способы формообразования заготовок из порошков.

Существует несколько способов получения заготовок из смесей порошков:

- прессование (холодное, гидростатическое, мундштучное);

- прокатка;

- суспензионное или шликерное литье.

Различают два вида прессования: холодное и горячее.

Холодное прессование смеси порошков существует двух видов: одностороннее и двустороннее.

При холодном одностороннем прессовании на порошок 2, засыпанный в прессформу 1 давит пуансон, которому передается давление, развиваемое прессом (рис.1,а). Давление будет больше на верхних слоях порошка, а минимальное давление будет в нижней части прессуемого материала. Это падение видно на рис.1,б.

Рис. 1. Схема одностороннего прессования (а)

и диаграмма плотности прессовки (б)

Таким образом, при одностороннем прессовании плотность прессовки будет неодинакова, а, следовательно, неодинаковы будут и механические свойства ее. Лучшие результаты дает двустороннее прессование с помощью плавающей матрицы. В данном случае давление осуществляется двумя пуансонами (верхним - 1, нижним - 2), входящими в матрицу - 3.

Холодное двустороннее прессование. При двустороннем прессовании (рис.2) плотность прессовки по высоте получается почти одинаковой. Преимуществом двустороннего прессования перед односторонним является возможность применения меньших давлений (на 30…40 % меньше, чем при одностороннем).

Давление прессования 100-1000 МПа в зависимости от твердости порошка и формы изделия.

Прессование ведется на кривошипном или тихоходном гидравлическом прессе.

Количество засыпаемого порошка строго дозируется (по весу или объему), засыпанный порошок обжимается до заданной плотности, и затем извлекается готовое изделие.

Рис. 2. Схема двустороннего прессования (а)

и диаграмма плотности прессовки (б)

Горячее прессование. Горячее прессование совмещает в себе процессы получения прессовок и их спекание. Горячим прессованием получают готовые изделия. Осуществляется оно путем одновременного применения давления и высокой температуры, причем получаются прессовки очень высокой плотности с высокими механическими свойствами, можно получать более сложные детали так как порошок лучше заполняет форму. Такие детали хорошо обрабатываются, однородны по составу.

При горячем прессовании пользуются различными способами нагрева прессуемого материала. Нагревают в печи одновременно пресс-форму и порошок, или нагревают пресс-материал с помощью электрического тока, который подводится путем подключения к источнику тока верхнего и нижнего пуансонов, или применяют индукционный нагрев токами нормальной или высокой частоты.

Но несмотря на целый ряд преимуществ горячее прессование не получило широкого распространения, так как требуются высокие температуры спекания для некоторых порошков (на железной основе, порошков тугоплавких металлов), а это вызывает затруднения при осуществлении процесса.

Процесс менее производителен, так как требуется выдержка под давлением по сравнению с холодным прессованием. Пресс-формы изнашиваются быстрее.

При горячем прессовании при температурах прессования до 1000 ⁰С пользуются пресс-формами из жаропрочных сплавов, а при более высоких температурах - графитовыми, но они непрочны и выдерживают всего 1-3 прессовки. Поэтому горячее прессование применяется для больших прессовок массой до 500 кг, при холодном прессовании подобных прессовок требуются слишком большие давления. Давление при горячем прессовании составляет 10…20 % от холодного прессования.

Горячим прессованием получают изделия: тонкие пластины, диски, детали, коробящиеся при спекании, изделия из твердых, жаропрочных, алмазно-металлических сплавов.

Гидростатическое прессование. Гидростатическое прессование осуществляется в установках, в которых порошок, помещаемый в оболочку, подвергается всестороннему сжатию жидкости - масла или глицерина, реже воды (рис.3).

Рис. 3. Схема установки для гидравлического прессования

В герметически закрывающуюся камеру - 1 помещают порошок в резиновой или свинцовой оболочке - 2.

В камеру от гидравлического насоса - 3 подается жидкость под большим давлением (10-30 т/см²) со всех сторон сжимающая оболочку и находящийся в ней порошок. Закладывая внутрь стержень (оболочка в этом случае должна быть свинцовой, так как резиновая прорвется) можно получать пустотелые изделия. Прессовки, полученные гидростатическим давлением, уплотнены лучше, чем при обычном прессовании.

Мундштучное прессование заключается в продавливании через мундштук (фильеру) смеси из порошка с пластифицирующим материалом (парафином) (рис.4).

Рис.4. Схема мундштучного прессования

Шихта, состоящая из металлического порошка с добавкой пластификатора, поступает в конвейер 1, откуда выдавливается пуансоном 2 через мундштук 3 и выходит в виде спрессованного прутка 4. Форма получаемого изделия определяется профилем мундштука. Таким образом готовят прутки, сверла и изделия разного профиля. Если в пуансон вставить иглу, то прессовка будет получаться в виде трубы. Прессование осуществляется с помощью гидравлического пресса. После спекания прессовки получаются очень прочные.

Для прессования металлокерамических деталей применяют механические (эксцентриковые, кривошипные, кулачковые) и гидравлические прессы.

Прокатка - наиболее перспективный метод получения изделий из порошков (рис.5).

Рис. 5. Схема процесса прокатки

Сущность процесса заключается в прессовании порошка, поступающего между двумя вращающимися в разные стороны валками. Из-под валков порошок выходит в виде полосы, ленты или листа. Лента спрессованного материала может непосредственно направляться в печь для спекания, а затем подвергаться дополнительному обжатию между валками. Процесс высокопроизводительный - 30-35 м/сек. При прокатке порошок подвергается сжатию, как при двустороннем прессовании. Процесс спекания железной ленты толщиной 0,5-0,7 мм при 1400 ⁰С протекает в течение долей секунды. Прочность полос можно увеличить газовой цементацией.

Перед обычным прессованием она имеет ряд преимуществ: отсутствие дорогостоящих пресс-форм; возможность получения изделий относительно больших габаритов при малой толщине и более однородных по плотности; более высокая производительность; небольшая мощность прокатных станов.

Шликерное литье (суспензионное литье). Металлический порошок смешивают с пластификатором, в качестве которого используются легкоплавкие вещества, например, парафин. Образующаяся сметанообразная масса - шликер под давлением газа подается в гипсовую форму так же, как при отливке металлов давлением.

Жидкая шликерная масса, попадая в форму, затвердевает. Этим способом можно готовить изделия сложной конструкции (тонкостенные). Затем изделия подвергают спеканию.

Спекание. Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок известными способами холодного прессования. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порошков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и другие. Температура спекания обычно составляет 0,6-0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже температуры плавления основного металла для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания рекомендуется проводить в три этапа: 1 - нагрев до температуры 150…200 ⁰С (удаление влаги); 2 - нагрев до 0,5 температуры спекания для снятия внутренних напряжений и для активного сцепления частиц; 3 - окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки 30-90 мин.

При спекании происходит усадка, величина которой зависит от дисперсности порошка, температуры и времени спекания. Спекание снимает остаточные напряжения, изменяет физические свойства и улучшает механические свойства изделий.

Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Последнее возможно только при многокомпонентных системах, когда один или несколько компонентов переходят в жидкое состояние. Спекание с жидкой фазой позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных сил, приводящих к затягиванию пор.

В промышленности большое распространение получил процесс спекания в твердой фазе, когда спекание отдельных элементарных кристаллов происходит за счет диффузии в твердом состоянии.

Для спекания применяют пламенные или электрические печи. Спекание проводят в вакууме или в защитной атмосфере водорода, окиси азота с водородом, генераторного газа и т.д.

Так как при спекании возможно коробление, то тонкие и плоские детали спекают под давлением. Полученный брак (низкая прочность, окисление) исправляют повторным спеканием.

Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и механической обработки.

Обработка на металлорежущих станках применяется в тех случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Обработку следует вести инструментом, оснащенным пластинками из твердого сплава или алмаза.