Разработка технологии получения детали «шайба» методом порошковой металлургии

Порошки представляют собой совокупность частиц округлой формы, дендритной или пластичной формы. Форма частиц и их размеры оказывают определенное влияние на их формуемость, спекаемость и определенный комплекс механических свойств порошковых изделий.

Мелкие порошки имеют низкую текучесть, большую насыпную плотность, хорошую формуемость, большую усадку при спекании, что приводит к изменению размеров. Как правило, мелкие порошки не являются технологичными.

Крупные порошки имеют хорошую текучесть, низкую насыпную плотность, хорошо формуются, имеют малый коэффициент усадки при спекании. Однако крупные порошки обуславливают крупную пористость, которая резко снижает прочность изделий.

Оптимальным считают комбинацию крупных и мелких порошков, когда мелкие частицы занимают пространство между крупными.

Крупные порошки являются наиболее чистыми, таким образом для приготовления шихты выбирают оптимальный размер частиц порошков, из которых будет приготавливаться шихта.

Нужный размер частиц можно выделить из общей массы путем просева.

Для просева порошков в нашем случае используются вибрационные сита. Для просева порошка графита применяется вибрационное сито с сеткой 01, а для порошка хрома – с сеткой 0035 мкм.

После просева определяются технологические свойства порошков (насыпная плотность, текучесть, уплотняемость и формуемость). Насыпная плотность определяется по ГОСТ 19440 – 74 с помощью валюмометра. Текучесть порошка оценивается с помощью воронки с калиброванным отверстием. Текучесть определяется временем истечения навески порошка из воронки через калиброванное отверстие. Текучесть влияет на скорость и равномерность заполнения пресс-формы, т. е. на производительность и качество прессования. Она зависит главным образом от размера частиц и их формы, состояния поверхности и внутреннего трения. Текучесть определяют по ГОСТ 20899-75. Уплотняемость и формуемость определяются по ГОСТ 25280 – 82. Уплотняемость оценивается путем определения плотности прессовок, изготовленных при заданных давлениях прессования в цилиндрических пресс-формах. Формуемость порошков оценивается интервалом значения плотности, при которых прессовки, после извлечения из пресс-формы не осыпаются и не имеют расслойных трещин.

2.3.2.  Смешивание

Приготовление шихты осуществляется путем смешивания 3-х порошков: порошка железа, порошка графита и легирующего элемента - порошка хрома.

Качество смешивания определяет однородность получаемой структуры. Если смесь порошков неоднородна, то и структура будет неоднородной (гетерогенной). Плохая структура приведет к плохим механическим свойствам.

Операция смешивания является операцией, обуславливающей качество порошковых изделий. Формование и спекание не исправляют допущенного брака. В приготовляемую шихту , кроме легирующих металлов вводят связующие или смазки, которые облегчают процесс формования.

Смешивание порошков осуществляется с помощью плужкового смесителя. При вращении плужки взрыхливают и перемешивают шихту в результате достигается меньший ее разогрев. Сначала берется порошок хрома, добавляется стеорат цинка и железо в количестве равном количеству хрома. Смешивают эту смесь в течение часа, затем добавляется оставшееся железо, и все перемешивается в течение еще 2 –х часов. Плужковые смесители находят большое применение на всех крупных производствах.

После смешивания порошок снова подвергают контролю на текучесть и насыпной вес

2.3.3.  Прессование.

Прессование – важнейший этап получения материалов и изделий из порошковых смесей, он определяет размеры и форму изделий и конечные свойства материала.

Прессование порошков сопровождается их уплотнением, деформацией частиц, взаимным перемещением, измельчением состояния поверхностей и площади межчастичных контактов. Между частицами порошка до начала уплотнения поверхность соприкосновения составляет от 0,001 до 0,01% от максимального значения плотности 100%. Объем заполнен порошком частично, а большую долю занимают поры – пустоты.

Порошковые системы в результате деформации уменьшают объем в несколько раз. В процессе деформации искажаются кристаллическая структура частиц порошка.

На первом этапе, когда пористость > 30% уплотнение происходит в результате взаимного перемещения частиц.

На втором этапе при пористости < 30% происходит дробление конгломератов, скрашивание 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.

Наряду с наклепом порошки под давлением ведут себя подобно жидкости, т. е. растекаются в сторону, тем самым оказывают давление на стенку матрицы. Это давление называют боковым давлением. При появлении бокового давления при перемещении порошка относительно стенки матрицы возникают силы трения.

Сила трения всегда направлена навстречу усилию прессования, поэтому давление на слои порошка по высоте изделия оказывается неодинаковым. Давление максимально непосредственно у торца пуансона и меньше на величину силы трения на некотором удалении от этого торца. Разное давление прессования определяет разную плотность объема изделия. Возникает явление разноплотности прессовки, что понижает механические свойства и качество изделий.

              Для снижения коэффициента трения:

-          повышают частоту поверхности матрицы (полируют);

-          смазывают стенку пресс-формы специальными смазками (коллоидный графит, стеорат цинка, эмульсии фторопласта и др.)

-          введение смазки непосредственно в формуемую шихту (стеорат цинка)

Основная задача прессования изделия любой формы – достижение равномерной плотности во всех ее частях. Мерилом может служить степень сжатия порошка, которая должна быть одинакова в каждом месте изделия.

Прессование заданной детали производится на механических прессах под давлением 700 МПа, т.к. это наиболее эффективный и производительный способ получения изделий.

Для прессования детали «шайбы» под давлением 700 Мпа рассчитаем усилие прессования:

Площадь детали: 3,9 см^2

Давление прессования: 700Мпа = 7 т/см

Усилие прессования: 3,9 * 7 = 27,3 т/см.=> для прессования данной детали подходит механический пресс марки КА 8146

Полученные прессовки подвергаю контролю на плотность и размеры . Прочность прессовок определяется по ГОСТ 25282 – 82 в результате испытаний при поперечном изгибе с равномерно возрастающей сосредоточенной нагрузкой.

2.3.4.  Спекание

В порошковой металлургии высокотемпературный нагрев называется спеканием и заключается в нагреве и выдержке порошковых формовок при температурах 0,7 – 0,9 от абсолютной температуры плавления металла или основного компонента.

Спекание сопровождается качественным и количественным изменением контактов между частицами порошка, уплотнением формовок, окислительно-восстановительными и диффузионными процессами, что обуславливает формирование структуры полученного материала.

При спекании шероховатость частиц существенно сглаживается. Центры частиц сближаются, что приводит к уплотнению материала.

С термодинамической точки зрения процесс спекания можно представить как перемещение атомов из энергетически невыгодного состояния в более выгодное, когда свободная энергия частиц минимальна.

Активность при спекании от искаженности кристаллической решетки. Чем больше плотность структурных дефектов, тем активнее порошки.

Принято считать, что первые контакты между частицами при прессовании образуются через оксидную пленку. При нагреве заготовки в восстановительной среде ( водород, СО, вакуум) уже при 300 ºС начинается восстановление оксидов. В момент их перестройки решётка разрыхляется и наблюдается высокая подвижность атомов, которая приводит к образованию металлических контактов. С дальнейшим ростом температуры металлические контакты растут , образуя в системе сначала открытую, а затем закрытую пористость.

В ряде случаев при спекании наблюдается не уплотнение, а разуплотнение материала. Это вызвано образованием дополнительной пористости. Дополнительная пористость может возникать при спекании многокомпонентных систем, когда скорость растворения компонентов  друг в друге не одинакова .

При твёрдофазном спекании в области высоких температур большую роль играют процессы ползучести. Под диффузионной ползучести понимают процесс непрерывной пластической деформации при постоянном напряжении, при постоянной температуре.

Диффузионная текучесть проходит по вакансионному механизму. При пластической деформации деформация осуществляется за счет смещения по кристаллографическим плоскостям, имеющим наиболее плотную упаковку. Диффузионная ползучесть имеет место как при повышенных так и при пониженных температурах.

В результате обмена местами вакансий атомов имеет место пластическая деформация ,т.е. изменение формы тела.

Высокотемпературный нагрев является обязательной операцией обработки порошковых холоднопрессованных заготовок, поскольку без него они представляют собой конгломерат частиц, слабо связанных друг с другом, и не обладают требуемыми свойствами. Одним из видов такой обработки является спекание – технологическая операция, заключающаяся в нагреве и выдержке порошковых формовок при температурах более низких, чем температура плавления основного компонента. Оно имеет своей основной целью увеличение их прочности. Упрощенно можно представить, что при спекании изменяется характер физической границы раздела частиц - межчастичные контактные поверхности – и за счет увеличения подвижности атомов при нагреве на ней возникают металлические связи или она исчезает совсем. Из конгломерата частиц создается более или менее плотный и однородный материал. Одновременно с решением основной задачи при спекании могут происходить окислительно-восстановительные и диффузионные процессы..

Наибольшее распространение получило спекание в защитных атмосферах. При массовом производстве спекание осуществляется в печах непрерывного действия. Защитный газ непрерывно подается в муфель, на движущийся поддон которого загружаются детали. Движущийся поддон представляет собой конвейер.  Но т. к. у нас не массовое производство и температура спекания должна быть 1250 ºС, что не обеспечивает конвейерная печь, то целесообразнее использовать вакуумную толкательную печь сопротивления и спекание проводить в остро-осушенной атмосфере диссоциированного аммиака.

После спекания необходимо проконтролировать твердость структуры полученного изделия.

2.3.5.  Маслопропитка

              Свойство самосмазываемости, присущее антифрикционным металлокерамическим материалам, широко используется в промышленности. Заполнение пор изделий маслом, которое в процессе поступает по капилярам к поверхности трения, позволяет в ряде случаев избежать необходимости в дополнительном подводе смазки и улучшает условия работы трущейся пары.

              Пропитку производят машинным или веретенным маслом при температуре 110-120 ºС в течение 0,5 – 1 ч. с последующим охлаждением в холодном масле. Качественная пропитка позволяет у деталей с пористостью 20 – 25 % получить масловпитываемость до 3 – 4 % от массы деталей. Для более полного заполнения объема открытых пор применяют пропитку изделий в вакууме, а также пропитку под давлением. Пропитанные маслом изделия не рекомендуется подвергать обработке резанием, так как при этом масло выдавливается из пор и загорается. Такие детали пропитывают после обработки.

4.       ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1.           Оборудование для просева.

Для просева порошков в нашем случае используются вибрационные сита. Для просева порошка графита применяется вибрационное сито с сеткой 01, а для порошка хрома – с сеткой 0035

Технологические характеристики сита:

-          производительность 0,2 т/ч;

-         мощность 1,0 кВт;

-         габариты 1,2  0,75 0,55 м

3.2     Оборудование для смешивания.

Смешивание порошков осуществляется с помощью плужкового смесителя. При вращении плужки взрыхливают и перемешивают шихту в результате достигается меньший ее разогрев. Плужковые смесители находят большое применение на всех крупных производствах.

Технологические характеристики плужкового смесителя:

-          вместимость барабана 2 м^3;

-          частота вращения 30 об/мин;

-          загрузка порошков  1000 кг;

-          рабочее разряжение  40 гПа;

-          мощность  20 кВт;

3.3  Оборудование для прессования.

Прессование заданной детали производится на механических прессах под давлением 700 МПа, т.к. это наиболее эффективный и производительный способ получения изделий.

Технологические характеристики пресса КА8146:

-    Номинальное усилие 40 т;

-    Номинальная высота засыпки порошка в матрицу 110 мм;

-    Наибольший размер изделия в плане  80 мм

-    Ход прессуемой головки 180 мм

-    Число ходов прессующей головки в мин. 11-36