Порошковая металлургия

Категория:
Групповая технология получения заготовок


Порошковая металлургия

Метод получения различных материалов и деталей из металлических порошков путем их прессования и последующего спекания, минуя стадию плавления металла и литья, называется порошковой металлургией.

Технология изготовления деталей методами порошковой металлургии напоминает технологию керамического производства, поэтому продукцию порошковой металлургии нередко называют металлокерамикой.

Порошковая металлургия является одним из наиболее перспективных методов получения изделий, обладающих особыми свойствами — пористостью, высокой твердостью, тугоплавкостью и т. д. Этот метод имеет большие преимущества по сравнению с другими традиционными способами изготовления изделий, такими как литье, штамповка, механическая обработка и др., так как позволяет получать совершенно готовые изделия либо детали с незначительными технологическими припусками.

Высокие технико-экономические преимущества метода порошковой металлургии перед другими способами производства (экономия металла, возможность замены цветных и дефицитных металлов менее дефицитными и более дешевыми без ущерба для свойств изделий, повышение производительности труда, получение материалов со специальными свойствами и т. п.) создали предпосылки для широкого применения порошковых материалов в различных областях техники, роста выпуска деталей и непрерывного расширения их номенклатуры.

В настоящее время металлокерамические изделия широко применяются в виде антифрикционных, фрикционных и конструкционных деталей, а также в виде фильтров, магнитов, электроконтактов, деталей специальной техники и т. д.

Потери металла при изготовлении этих деталей методами порошковой металлургии составляют 3—7%, тогда как при обычном литье отходы материала иногда достигают 80%.

Основными технологическими операциями процесса изготовления металлокерамических материалов и изделий являются:
а) приготовление порошковой шихты;
б) прессование — формование заготовки;
в) спекание;
г) контроль качества готовой продукции.

Для повышения механических свойств деталей, а также для придания им некоторых специальных свойств дополнительно могут применяться: допрессовка с повторным спеканием; калибровка; пропитка более легкоплавкими металлами, пластмассами и маслом; мехаиияеская, термическая и химико-техническая обработка.

Для получения шихты в качестве исходных материалов применяются порошки чистых металлов, их сплавов или смеси порошков тех или иных металлов с легирующими и технологическими добавками.

Под приготовлением шихты подразумевается комплекс операций, обеспечивающих получение изделий с заданными свойствами.

Рис. 1. Металлокерамические детали

Все операции, связанные с приготовлением шихты, необходимо выполнять тщательно, так как от качества их проведения во многом зависят свойства готовых изделий.

Под формованием (прессованием) металлических порошков и их смесей понимается операция, в результате которой под действием приложенных сил из бесформенного сыпучего порошка получаются относительно прочные заготовки с учетом допусков на усадку при спекании, а также припусков, связанных с какой-либо необходимой обработкой.

Прессование может осуществляться в закрытых и открытых пресс-формах, методом мундштучного и гидростатического прессования, а также прокаткой свободно насыпанного порошка и порошка, заключенного в эластичные оболочки.

Прессование может производиться при обычных температур pax — холодное прессование и прн повышенных температурах — горячее прессование. На практике широкое применение находит метод холодного прессования в закрытых пресс-формах. Он является наиболее простым, легко поддается автоматизации и позволяет получать изделия различных форм и размеров.

Холодное прессование в закрытых пресс-формах заключается в дозировке и засыпке шихты в пресс-формы, прессовании и выталкивании прессовок из пресс-форм.

Назначение дозировки — обеспечение подачи точно необходимой порции порошка в пресс-формы. Осуществляется дозировка либо весовым, либо объемным методом. Наиболее точным методом дозировки является весовая дозировка, но в связи с малой производительностью она применяется только в случае необходимости получения изделий с точно заданной плотностью.

При массовом производстве, особенно при автоматическом прессовании, в основном применяется объемная дозировка. Выполняется она посредством свободного заполнения точно рассчитанной полости пресс-формы. Недостатком этого метода является возможность получения изделия неодинаковой плотности за счет изменения технологических характеристик порошковой шихты.

Существует два метода прессования: одностороннее и двустороннее.

Недостатком одностороннего прессования является неравномерность плотности и твердости по объему изделия. В связи с этим оно в основном применяется для изготовления изделий простой конфигурации (цилиндры, втулки, контакты и т. д.) и малой высоты, отношение которой к диаметру не более двух, а к толщине стенки не более трех.

Для изготовления изделий с равномерными плотностью и твердостью применяется двустороннее прессование, которое может осуществляться либо путем приложения давления прессования к верхнему и нижнему пуансонам, либо за счет приложения усилий прессования только к одному верхнему пуансону, но с принудительным опусканием («плаванием») матрицы.

На рис. 2 показана схема такой пресс-формы. Порошок засыпают в матрицу, закрепленную в плавающей плите. При включении пресса верхний пуансон идет вниз, осуществляя прессование порошка, при этом матрица не препятствует уплотнению порошка, так как может скользить по колонкам. Для выталкивания изделия на матрицу устанавливают стакан, надавливая на который, опускают матрицу, и изделие свободно снимают с нижнего пуансона.

Двустороннее прессование применяют, если высота меньше пяти диаметров и двадцати толщин стенки.

Групповые методы получения металлокерамики. В случаях изготовления небольших партий деталей целесообразно применять групповые блоки со сменными элементами.

Рассмотрим ряд конструкции групповых блоков, используемых на некоторых заводах для изготовления деталей мелкосерийного и серийного производств.

Рис. 2. Схема двустороннего прессования

Групповой блок служит для закрепления на гидропрессе группы сменных разногабаритных пресс-форм, предназначенных для прессования деталей из металлических пресс-порошков.

Рис. 3. Групповой блок для металлокерамики

Верхняя плита блока соединена с нижней плитой при помощи двух колонок и двух втулок, расположенных в блоке консольно. Благодаря такому расположению колонок обеспечивается свободный подход в зону прессования, значительно повышается удобство загрузки пресс-порошка в загрузочную камеру пресс-форм и создается условие механизированного удаления отпрессовок в конце цикла прессования.

Подвижная часть пресс-форм прикрепляется к верхней плите, а неподвижная часть — к нижней плите. Закрепление производится при помощи прихватов, болтов, сферических гаек и сферических шайб. Опорная часть прихватов имеет радиусную поверхность, которая способствует закреплению плит пресс-форм с различными высотами. При этом изменение горизонтального положения прихватов не ухудшает надежности закрепления, так как болты сохраняют постоянно свое вертикальное положение благодаря наличию в гайке и шайбе сферической поверхности.

Рис. 4. Групповой блок для металлокерамики

Наконечник резьбовой частью крепится к выталкивающему устройству пресс-форм и при помощи Т-образного паза, расположенного в нижней части наконечника, соединяется с хвостовиком. Благодаря такой конструкции наконечника и хвостовика достигается удобное и независимое крепление этих деталей к пресс-формам и нижнему штоку гидропресса.

Хвостовик и наконечник воспринимают силовое воздействие от штока и передают его выталкивающему устройству пресс-форм, обеспечивающему механическое выталкивание отпрессованных деталей из формообразующей части пресс-форм.

Применение опорных плит и подкладных плит, упрощает технологию изготовления верхней и нижней частей блока.

Крепление указанных деталей к верхней и нижней плитам блока осуществляется винтами.

Групповой блок, изображенный на рис. 4, устанавливается на механический пресс с нижним гидравлическим выталкивателем.

Плита крепится к верхнему ползуну пресса, и в ней при помощи гайки закрепляется верхний прессующий пуансон.

Основным достоинством является то, что матрица блока плавающая и плотность детали при большой ее высоте регулируется автоматически в процессе прессования за счет уто-пания матрицы на пружинах.

Матрица вкладыша крепится в гнезде плиты. При помощи гаек регулируется объем загрузочной камеры для засыпки порошка. Гайки 6 при работе на обычных плоских деталях опускаются вниз и в работе не участвуют.

Рис. 5. Формовкладыш к групповому блоку

Если же деталь ступенчатая, то для ее получения используют гайки, опытным путем подбирая нужный зазор. На рис. 1.38 показана конструкция сменного элемента.

Рис. 6. Групповой блок для прессования

Групповой блок устанавливается на пресс-автомат 1501. Блок состоит из двух основных частей — верхней и нижней.

Верхняя часть содержит обойму с хвостовиком, в которой крепится планками верхний прессующий пуансон вкладыша.

Нижняя часть блока состоит из двух взаимно перемещающихся вдоль оси частей: неподвижного основания и скрепленных между собой при помощи четырех колонок плиты и обоймы, которые могут перемещаться относительно основания вдоль оси пресса. В основании крепится нижний прессующий пуансон-толкатель вкладыша в гнезде, образуемом двумя планками, а также подкладкой. Матрица вкладыша устанавливается в обойму и крепится накладкой. К плите двумя планками крепится стержень вкладыша, оформляющий внутреннее отверстие детали, если это требуется. В этой плите закреплен также стержень , который является двигающим элементом блока. Он соединен с нижним рабочим штоком машины при помощи гаек и шайб.

Движением верхнего пуансона, входящего в матрицу на 4—10 мм, происходит небольшая подпрессовка и в основном запирание камеры прессования, после чего начинается одновременное движение вниз верхнего пуансона и нижнего штока вместе с матрицей и внутренним пуансоном.

Этим движением и совершается основное прессование детали, т. е. матрица, закрытая сверху пуансоном, как бы надвигается на неподвижно стоящий нижний пуансон — толкатель.

По окончании процесса прессования верхн-ий пуансон отходит, а продолжающееся движение матрицы вниз является уже движением выталкивания прессовки из матрицы.

Надвигающийся бункер пресса сталкивает прессовку в тару и производит засыпку новой дозы порошка в полость вкладыша, так как нижний пуансон — толкатель — к этому времени опять займет свое нижнее исходное положение.

Для изготовления достаточно прочных заготовок при холодном прессовании в закрытых пресс-формах применяются значительные удельные давления, которые в зависимости от необходимой пористости и свойств исходных компонентов шихты колеблются в пределах от 200 до 1000 кПа.

При прессовании в закрытых пресс-формах могут быть использованы как механические, так и гидравлические прессы специального назначения, а также прессы, применяемые для прессования пластмасс, оснащенные специальными приспособлениями.

В настоящее время этим методом изготовляется большое количество деталей массой до 2,5 кг.

Недостатками метода прессования в закрытых пресс-формах являются ограниченность размеров изготовляемых изделий по размерам и весу (максимальная масса изделий при прессовании в пресс-формах достигает не более 20— 30 кг), а также необходимость применения прессов большой мощности.

В настоящее время разработан ряд методов, обеспечивающих получение заготовок большой длины и больших объемов. При изготовлении изделий большой длины (труб, прутков, лент и т. п.) применяются: прокатка металлических порошков, мундштучное прессование, шликерное литье, гидростатическое прессование.

Помимо этих методов в настоящее время разработан ряд других: прессование взрывом, центробежное и вибропрессование н т. д., которые расширяют возможности порошковой металлургии. Во всех этих случаях нужно предусматривать возможность применения технологической оснастки со сменными элементами, что позволяет рационально использовать этот прогрессивный метод в условиях мелкосерийного производства.

Очень часто при изготовлении изделий со специальными свойствами находит применение метод горячего прессования, при котором совмещается процесс прессования с процессом спекания.

Заготовки, полученные после прессования, как правило, обладают низкими механическими свойствами, а также в ряде случаев не имеют нужных химико-физических свойств. В связи с этим полученные после прессования «сырые» заготовки подвергают спеканию. Спекание производится при температуре, составляющей 0,7—0,9 от температуры плавления металла порошка однокомпонентной порошковой шихты или температуры плавления основного компонента в многокомпонентной порошковой смеси.

В процессе спекания за счет качественного и количественного изменения контактов, связанного с большой подвижностью

атомов при повышенных температурах, увеличивается поверхность сцепления частиц, повышаются плотность и прочность изделия, а также достигаются необходимые химико-физические свойства.

Спекание производится в вакууме или в контролируемой атмосфере (восстановительной или нейтральной).

Длительность выдержки при температуре спекания в зависимости от состава шихты и размеров изделий может составить от нескольких десятков минут до нескольких часов.

Для повышения плотности применяют повторное спекание, которое улучшает механические свойства деталей.

Двукратному прессованию и спеканию подвергаются также магнитномягкие материалы, магнитная проницаемость которых резко падает с увеличением пористости.

Размеры металлокерамических деталей после спекания получаются с точностью до 12—14-го квалитетов и шероховатость поверхности до Rn = 10 мкм. Калибрование в специальных пресс-формах при удельном давлении до 1000 мПа повышает точность до 8—11-го квалитетов при шероховатости поверхности до Ra = 1,25 -ь 2,5 мкм.

После калибрования на поверхность детали можно наносить любые гальванические покрытия.

Метод порошковой металлургии имеет свои, ограничивающие его применение особенности. Порошковая масса не в состоянии заполнить углы формы. Прессование происходит в вертикальном направлении, поэтому невозможно правильно отформовать углубления, резьбы и другие элементы детали, расположенные под прямыми углами к направлению прессования.

Так как порошок под давлением практически не передвигается в боковых направлениях в контейнере, достаточное количество порошка должно быть размещено точно там, где это необходимо, для того, чтобы обеспечить равномерную плотность металла изделий. Это условие особенно важно при прессовании деталей с тонкими стенками или переменного сечения.

Неравномерная плотность вызывает большие напряжения в деталях во время их изготовления, особенно при спекании, при котором появляются неравномерные усадки, коробление и даже трещины.

Следует избегать таких слабых частей детали, как тонкие стенки, узкие шпоночные канавки, острые углы и т. п., потому что они часто разрушаются в конце хода выталкивания. Различные выемки и приливы нужно располагать как можно ближе к верхнему краю контейнера и, если возможно, делать их конусообразными для облегчения выталкивания. Конусность стенок деталей должна быть в пределах 5—10’.

Круговые канавки, резьба и обратная конусность обычно выполняются механической обработкой после спекания.

Выполнение отверстий в направлении прессования не представляет затруднений, и получаются они с помощью сердечников любой формы. Однако, если отверстия очень малы, нужны тонкие сердечники, которые быстро изнашиваются и изгибаются под действием порошка, перемещаемого при прессовании.

Для выталкивания цилиндрических отверстий применяются сравнительно простые и дешевые инструменты. В связи с этим вместо прямоугольных, квадратных и других форм отверстий, где это можно, следует делать цилиндрические.

Бытует мнение, что метод порошковой металлургии из-за высокой стоимости технологической оснастки экономичен в основном в условиях изготовления больших партий деталей. До появления группового метода изготовления деталей такое же мнение существовало и относительно возможного применения литья под давлением, штамповки жидкого металла, изготовления деталей из пластмасс и т. д. Однако, как уже указывалось выше, классификация деталей, применение технологической оснастки со сменными элементами, создание специализированного технологического оборудования открывают широкие возможности применения метода порошковой металлургии в условиях не только серийного, но и мелкосерийного производства.

Автоматизация производства металлокерамики. При изготовлении методом порошковой металлургии деталей типа втулок, дисков, валов и планок применяются автоматические технологические комплексы. Эти комплексы состоят из весового устройства для дозировки порошка, формовочного пресса К-8130 с промышленными роботами типа «Гном» для загрузки форм, их разгрузки и установки отформованной заготовки на разгрузочное устройство в специальную графитовую тару; печи спекания, оснащенной средствами автоматики и безокислительной средой; пресса калибровочного, обслуживаемого промышленным роботом для загрузки, разгрузки и управления прессом; контрольного устройства с промышленным роботом для вторичного спекания после калибровки.

Схема технологического комплекса изготовления деталей методом порошковой металлургии приведена на рис. 7.

Этот комплекс предназначен для изготовления деталей типа втулок, валов, дисков, планок из порошка в автоматическом режиме. В комплексе осуществляются следующие операции: подача, дозирование, засыпка порошка в форму, фйрмовка, спекание, калибровка, повторное спекание, контроль.

Рис. 7. Автоматический комплекс изготовления металлокерамических деталей:
1 — тара с порошком; 2 — промышленный робот типа МРЛ-90-901; 3 — весовое устройство; 4 — пресс формовочный; 5 — разгрузочное устройство; 6 — графитовые лодочки для отпрессованных деталей; 7 — конвейер; 8 — печь спекания; 9 — пресс калибровочный; 10 — контрольное устройство

Управление комплексом осуществляется от мини-ЭВМ «Электроника-60», имеющей вход сигналов с высшего управления. В условиях серийного производства необходимо применять групповые формы со сменными вкладышами. До применения форм, конструкция которых обеспечит автоматическую замену сменного вкладыша, эта работа может производиться рабочим-оператором.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум