Разработка технологического процесса изготовления детали методом ПМ

Для изготовления детали «колодка» берём ПК40ХН2Г  ГОСТ 28378-89 – сталь конструкционная хромоникельмарганцовистая со средней массовой долей углерода 0,4 %, хрома 1%, никеля 2%, марганца 1 %

Железо – твёрдый, прочный металл, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, имеет высокую электро- и теплопроводность.

Хром – образует твёрдые растворы с железом, имеет высокую устойчивость оксидов, не восстанавливается при спекании.

Никель – обладает высокой прочностью, придаёт твёрдость и вязкость. Углерод – придаёт изделию твёрдость и прочность, вводят при смешивании ввиде порошка – графита.

Графит коллоидальный – имеет широкий температурный диапазон, высокую нагрузочную способность, химически инертен, обладает большой долговечностью.

Марганец – придаёт прочность, твёрдость и вязкость, легко окисляется.

 

2.1.1.1. Механическое дробление ФМн-78

Так как для  изготовления детали нам нужен порошок Mn, а в чистом виде его не существует, мы берём сплав марганца и железа. Для получения порошка Mn используем механическое дробление ФМн-78. Размол ферромарганца производим на шаровых мельницах. Шаровая мельница – простейший аппарат для измельчения твёрдых материалов. Измельчение материалов в шаровой мельнице производится металлическими шарами диаметра 30 – 60 мм из стали, чугуна и других сплавов. Длительность размола колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Средний размер измельчаемого материала уменьшается с увеличением продолжительности размола по достаточно крутой кривой и чем дольше длится размол, тем меньше диапазон отклонений фактических размеров измельчённых частиц от их среднего значения. Для шаровых вращающихся мельниц отношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50-100. При размоле материалов осуществляется операционный контроль по гранулометрическому составу размолотых компонентов.

 

 

 

2.1.1.2. Просев порошка

Просев порошка обеспечивает получение фракций порошка, имеющих  более узкие диапазоны размеров частиц по сравнению с исходным порошком. Это необходимо для получения заданной структуры и свойств материала изделия после формования и спекания. А так же для удаления мусора и посторонних включений в порошке. Просев порошков чаще всего осуществляют на виброситах ввиду  простоты устройства.

 

2.1.1.3. Сушка графита

Сушка предназначена для удаления избытка влаги в порошке. Порошок графита нужно просушить в сушильном шкафу в течение часа, при температуре 100-150⁰ С.

2.1.1.4. Предварительный контроль

Перед подготовкой приготовления шихты порошки проходят предварительный контроль на соответствие сертификатам. Гранулометрический состав (ГОСТ 18318–73) является важнейшей характеристикой порошков и определяется ситовым или микроскопическим анализом. От него зависит насыпная плотность, текучесть, формуемость и активность при спекании. Используется комплект сит с сетками (0071-016) ГОСТ 3584–73, устанавливаемый на встряхивающее устройство.

2.1.1.4. Взвешивание порошков

Исходные порошки взвешиваются на весах, согласно их процентному содержанию в шихте.

 

2.1.2. Смешивание порошков

Смешивание  металлических порошков заключается  в приготовлении однородной механической смеси из порошков различного химического  и гранулометрического состава. Если смесь порошков неоднородна, то и структура будет неоднородной (гетерогенной), а это приведет к ухудшению механических свойств. Композиции готовят путем перемешивания порошков в течение 2 часов всухую. Существует определенный порядок смешивания: вначале перемешиваются легирующие добавки с небольшим количеством основного порошка (железо); после перемешивания в течение 1-1,5 часов добавляется основная масса порошка; за 1 час до конца смешивания вводят технологическую смазку в виде стеарата цинка. Такой порядок обеспечивает наиболее равномерное распределение компонентов. Стеарат Zn ТУ 6-09-3567-75 вводят для уменьшения коэффициентов внешнего и межчастичного трения, требуемого для получения прессовки заданной плотности, и снижения давления выталкивания, повышения равномерности распределения плотности по объему прессовки и уменьшения или предотвращения схватывания в паре прессовка - матрица пресс - формы, а также увеличения стойкости пресс-форм. Стеарат Zn вводится в шихту в количестве 0,75% от массы всех порошков.

 

2.1.2.1. Контроль

Качество смешивания контролируется химическим и микрохимическим анализом проб, а также по физическим и технологическим свойствам шихты (по насыпной плотности, текучести, уплотняемости, формуемости). 

Насыпная плотность (ГОСТ 19440–74) представляет собой плотность единицы объема свободно насыпанного порошка. Определяется с помощью волюмометра и зависит от удельной плотности материала порошка, формы и размеров отдельных частиц.

Текучесть (ГОСТ 20899–75) – это способность порошка заполнять полость. Определяется скоростью истечения заданной навески через калиброванное отверстие и зависит от плотности, гранулометрического состава, формы и состояния частиц порошка.

Уплотняемость (ГОСТ 25280–82) – это способность порошка приобретать определенную плотность под воздействием заданного давления. Определяется диаграммой уплотняемости – зависимостью плотности заготовки от давления прессования.

Формуемость (ГОСТ 25280–82) – способность порошка сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале плотности. Формуемость порошков оценивается интервалом значения плотности, при которых прессовки, после извлечения из пресс-формы не осыпаются и не имеют расслойных трещин. Не менее 95% произвольно взятых проб должны иметь химический и гранулометрический составы, отвечающие заданному.

 

2.1.3. Холодное прессование

Сущность процесса - уменьшение начального объема порошка обжатием, тогда как при деформировании компактного материала его объем остается постоянным. Основная задача прессования изделия любой формы – достижение равномерной плотности во всех ее частях.

 На первом этапе, когда пористость > 30% уплотнение происходит в результате взаимного перемещения частиц. На втором этапе при пористости < 30% происходит скашивание острых кромок и выступов и начинается деформация отдельных частиц. На третьем этапе при пористости < 10% происходит пластическая деформация частиц порошка, резко возрастает плотность структурных дефектов, которая вызывает наклеп. В результате затормаживаются процессы уплотнения порошковой системы, и резко возрастает усилие прессования.

Объем порошкового  тела при прессовании изменяется в результате заполнения пустот между  частицами за счет их смещения и  пластической деформации. Величины давлений, применяемых при прессовании, зависят  от прочности и пластичности прессуемого материала, наличия смазки, конструкции пресс - формы, требуемой конечной плотности и других факторов. Так для прессования детали «колодка» требуется давление 600МПа, оно обеспечивает необходимую плотность прессовки. Технология прессования - холодное прессование в закрытых стальных пресс–формах. Для прессования используются специализированные гидравлические прессы.

2.1.3.1. Контроль

На  полученных  прессовках  контролируем  внешний  вид,  геометрию и плотность (по величине изделия и по высоте) (по ГОСТ 25281−82), методом взвешивания сформованных изделий. Необходимо выявить заготовки с браком. Брак при прессовании обычно невелик, не более 2-3% от всего количества изготавливаемых деталей данного наименования, и может быть устранен. Наиболее распространённый и опасный вид брака – это поперечные или диагональные трещины. Их появление обусловлено тем, что при выталкивании прессовки из матрицы пресс-формы происходит расширение, как прессовки, так и матрицы. Разрушение происходит по границам действия деформации, вызванных указанными процессами.               Бракованные детали после прессования размалываются и измельчаются в порошок на специальных установках. После просева через требуемое сито полученный порошок добавляется к основному в количестве 10–15%.

 

 

2.1.4. Спекание

Спекание – технологическая операция, заключающаяся в нагреве и выдержке порошковых формовок при температурах более низких, чем температура плавления основного компонента. (Температура спекания составляет 0,7 – 0,9 от абсолютной температуры плавления основного компонента). Спекание имеет основной целью увеличение их прочности.

 

 

Выделяют шесть следующих стадий спекания:

• развитие и возникновение связей между частицами
• образование и рост "шеек" контактов
• закрытие сквозной пористости
• сфероидизация пор
• уплотнение за счёт усадки пор
• укрупнение пор

Применение  защитных атмосфер при спекании изделий, спрессованных из порошков, обусловлено  необходимостью предохранения спекаемых  материалов от окисления в процессе термической обработки, а также восстановления оксидных плёнок, имеющихся на поверхности частиц. Окисление при спекании крайне нежелательно, так как процесс уплотнения и упрочнения спекаемых брикетов тормозится и даже останавливается при образовании на поверхности частиц оксидных плёнок. Выбор защитной среды в значительной степени зависит от состава спекаемых изделий, типа печей, экономических факторов и т. п. Взаимодействие с атмосферой не должно приводить к образованию соединений, ухудшающих свойства спечённых тел. В качестве защитной атмосферы при спекании применяют водород, диссоциированный газ, конвертированный природный газ, инертные газы, азот, эндо- и экзотермические газы, а также вакуум.

Спекание ведем при температуре 1180±20 ⁰С в течение 2 часов.  Это обеспечивает формирование однородного твердого раствора. В качестве защитной атмосферы используем  осушенный водород.

2.1.4.1. Контроль

Температура в  печи контролируется 1 раз в сутки контрольной термопарой, точка росы не менее 1 раза в сутки. При проведении спекания появляется не только брак, вызванный нарушением технологии, но и выявляется брак предыдущих операций смешивания и формования, поэтому необходим контроль на наличие брака (коробление деталей, обезуглероживание, вспучивание, корочка, налет, недопекание, пережог).

2.1.5. Горячая штамповка

Штамповка –  процесс пластической деформации материала  с изменением формы и размеров тела. Процесс горячей штамповки основан на заполнении формы или полости штампа материалом, обладающим необходимой пластичностью. Горячая штамповка имеет ряд преимуществ:

• Высокая производительность
• Однородность
• Точность получаемых поковок

Горячая штамповка  производится на прессах или штамповочных молотах при температуре 1000 ^оС и давлении 400 МПа.

2.1.5.1. Контроль

После горячей  штамповки осуществляют проверку поковок. Контролируются размеры изделия, внешний вид проверяется на отсутствие поверхностных дефектов (трещины, сколы, шероховатости рабочих поверхностей). По объему и массе прессовки рассчитывается ее плотность, прочность, пористость.

2.1.6. Отжиг

Отжиг – вид  термической обработки металлов и сплавов, заключающийся в нагреве  до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении.

В данном случае применяем рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация)  происходящий при температуре 500-550 °С; отжиг для снятия внутренних напряжений — при температуре 600-800 °С. Эти виды отжига применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). При рекристаллизационном отжиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600 °С. Отжиг проводим при температуре 800 ^оС

Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.

2.1.6.1. Контроль

После отжига проводят измерение твёрдости поковок  на прессе Бринелля или Роквелла. Также проводят контроль механических свойств путём испытания на растяжение образцов, вырезанных из мест поковки, расположенных у наиболее ответственных частей детали.

2.1.7. Готовое изделие

 

 

3 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1. Оборудование  для механического дробления

Для дробления  используем шаровую мельницу. Шаровая мельница - это устройство для размола кусков твёрдых материалов. Основная деталь конструкции — вращающийся барабан, частично заполненный шариками определённого диаметра (30 – 60 мм) из стали, чугуна и других сплавов, иногда из керамики. Также могут быть использованы галька и кремень. Материал измельчается ударами падающих шаров и истиранием. Барабан вращается в подшипниках, благодаря сцеплению внешнего зубчатого колеса с двигателем. Во время вращения  барабана шары под действием центробежной силы поднимаются вверх. Достигнув некой точки, когда сила притяжения шаров оказывается больше центробежной силы, они падают, раздрабливая, при ударе загруженный в мельницу материал. Вращение барабана приводит также к перекатыванию мелющих тел относительно друг друга и тонкому истиранию материала, попадающего под шары. Продвижение материалов вдоль барабана мельницы происходит в результате непрерывного подпора со стороны загрузки, производимого новыми порциями поступающего в мельницу материала. Таким образом, чем больше будет подано в мельницу свежего материала, тем больше будет получено измельченного продукта. Однако время нахождения материала в мельнице при этом будет меньше и, следовательно, помол окажется грубее. Мельница состоит из двух отсеков - грубого и мелкого помола. Сначала материал через полую цапфу загружается в первую зону со ступенчатой или рифленой подложкой. По мере дробления он передвигается и переходит во вторую зону через однослойную отсеивающую плиту. Во второй зоне подложка гладкая, шары истирают материал. Порошковидный материал через разгрузочную цапфу выходит наружу.