Спекание и окончательная обработка порошковых изделий

Спекание и окончательная обработка порошковых изделий. Только прессованием порошка получить изделие достаточной прочности невозможно. На поверхности частиц порошка образуются оксиды и всегда есть загрязнения, препятствующие возникновению металлических контактов.

В силу упругих свойств частиц порошка велико их сопротивление деформированию.

Поэтому для повышения прочности и твердости изделий заготовки подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке заготовок при температуре, составляющей 0,7 0,8 от абсолютной температуры плавления основного компонента спекаемой композиции. Средняя продолжительность выдержки составляет 1 2 ч. При спекании заготовок протекают такие сложные физико-химические процессы, как диффузия, восстановление поверхностных оксидов, рекристаллизация.

Между частицами порошка возникают металлические контакты, а прочность их сцепления иногда достигает прочности сцепления кристаллов компактных металлов. Спекание сопровождается обычно некоторым уплотнением заготовок — усадкой, которая зависит от дисперсности исходного порошка, температуры и продолжительности спекания. При спекании снимаются остаточные напряжения в заготовках, изменяются их физические свойства и улучшаются механические характеристики. Для пред отвращения окисления частиц порошка спекание проводят в вакууме или в защитной атмосфере (водорода, оксида азота, генераторного газа и др.). Различают спекание в твердой и жидкой фазах.

Спекание в твердой фазе производится при температуре, меньшей температуры плавления компонентов смеси, при спекании же в жидкой фазе — при температуре, превышающей температуру плавления одного или нескольких компонентов исходного материала. Спекание в жидкой фазе позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных явлений, приводящих к закрытию пор. Процесс спекания заготовок в зависимости от температурного режима условно делят на три этапа.

На первом этапе (до 150 °С) наблюдается некоторое увеличение прочности и незначительная усадка заготовки, что объясняется испарением адсорбированной воды с поверхности частиц. Происходит увеличение электросопротивления и интенсивная релаксация остаточных напряжений в заготовке. Второй этап (до 0,5ТПЛ) характеризуется дальнейшей релаксацией упругих напряжений, что вызывает изменение площади контактов и уменьшение плотности заготовок.

На третьем этапе (при температурах, несколько больших температур рекристаллизации для данного металла) происходит сглаживание свободных и контактных поверхностей частиц, контакты между сросшимися зернами расширяются и становятся металлическими вследствие высоких скоростей диффузии и окончательного восстановления оксидов. Нагрев заготовок при спекании осуществляют в печах различного типа, работающих периодически или непрерывно.

Печи периодического действия применяют при небольшом выпуске порошковых изделий. Они бывают колокольного типа, муфельные и шахтные. При массовом производстве изделий используют методические печи непрерывного действия: конвейерные, рольганговые, с шагающим подом, толкательные. При необходимости порошковые изделия подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, термической и химико-термической обработке, повторному спеканию, повторному прессованию.

Калиброванием можно получать изделия с погрешностью размеров 0,0005 0,01 мм. Порошковое изделие продавливают через отверстие в стальных пресс-формах специальной конструкции. При этом происходит не только уточнение размеров, но и уплотнение и полировка поверхностного слоя изделий, повышается их износостойкость. Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование и т. д.) применяют в тех случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных форм и размеров, для нарезания внутренних и наружных резьб, получения узких, но глубоких отверстий и т. д. При обработке резанием используют хорошо заточенный и доведенный инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза.

Термическую и химико-термическую обработку порошковых изделий (азотирование, хромирование и т. д.) проводят так же, как и для компактных металлов. Некоторой особенностью термической обработки порошковых изделий является необходимость нагрева их и переноса в закалочную ванну в защитной атмосфере, так как они отличаются склонностью к окислению.

Повторное прессование применяют при получении изделий сложной формы, когда при первом прессовании обеспечиваются лишь приближенные их форма и размеры. 6. Эффективность технологии порошковой металлургии Применение методов порошковой металлургии для изготовления изделий позволяет достигать высокой производительности труда и значительной экономии средств в народном хозяйстве страны. Экономия достигается за счет получения изделий высокой прочности, рационального использования металла, снижения его потерь, повышения качества изделий, создания новых прогрессивных деталей и др. Если обычное изготовление деталей на металлорежущих станках сопровождается потерями до 20 80% металла, связано с необходимостью выполнения большого числа технологических операций и значительными трудозатратами, то получение изделий методами порошковой металлургии отличается тем, что при числе операций 3 5 отходы металла составляют всего 5 10%. Кроме того, производство порошковых изделий сосредоточено в основном на одном предприятии, не требует большого станочного парка и высокой квалификации рабочих. Изготовление деталей обычного состава методами порошковой металлургии дает возможность уменьшить по сравнению с обработкой резанием удельный расход металла в 3 5 раз, трудозатраты — в 2 8 раз, себестоимость изготовления деталей — в 1.5 3 раза и повысить производительность труда в 1,5 2 раза. Образующиеся на машиностроительных заводах при обработке деталей из различных металлов резанием отходы в виде стружки и шлама представляют собой хорошее сырье для производства различных деталей машин и приборов. В основном около 50 % стружки, спрессованной в брикеты или пакеты, используется в сталеплавильном производстве.

Часть стружки перерабатывается в порошок.

В нашей стране разработана технология измельчения стружки путем размола ее в мельницах в среде жидкого азота.

Изделия, изготовленные из отходов методами порошковой металлургии, обладают в ряде случаев более высокой стойкостью, чем детали, полученные по обычной технологии. Шлам, получающийся в результате отделочной обработки заготовок, является также ценным сырьем для порошковой металлур-гии. Так, отходы шлифования деталей шарикоподшипникового производства после их сушки и просева составляют основу для изготовления фрикционных дисков, работающих в условиях тяжелых нагрузок.

Порошок, полученный из отходов после опиловки и обкатки подшипниковых шариков, может быть использован для изготовления конструкционных деталей общего назначения и т. д. Многие изделия, изготовленные методами порошковой металлургии, обладают более высокими качествами, чем изделия, полученные традиционными методами.

Так, стойкость инструмента из порошка быстрорежущей стали в 3 4 раза больше стойкости инструмента из литой стали. Новые инструментальные материалы на основе системы SisN4 — A12O3 по стойкости во многих случаях превосходят вольфрамо-титановые твердые сплавы. Важной технологической операцией в производстве синтетических волокон является процесс фильтрации прядильного расплава непосредственно перед формованием волокон или нитей.

Для предотвращения попадания в расплав различных инородных тел и других включений расплав перед формованием нитей подвергают фильтрации. Основные требования к фильтрующим материалам — достаточный срок их службы и качество фильтрации. Фильтрация расплава производится, как правило, с помощью металлической сетки и кварцевого песка.

Но использование сеток гарантирует отделение лишь крупных примесей, а пыль, содержащаяся в кварцевом песке, засоряет капилляры фильер. Это приводит к необходимости останова машины и замены фильерного комплекта через каждые 100 120 ч работы. Замена металлических фильтров пористыми из порошковых материалов обеспечивает повышение срока службы фильерных комплектов в 2 2,5 раза, а трудозатраты при перезарядке фильерных комплектов сокращаются вдвое. Рост скоростей движения механизмов и нагрузок на детали и узлы современных машин обусловливает повышение требований, предъявляемых к материалам.

Так, для торможения современного самолета в течение 30 с необходимо свыше 400 МВт энергии, а для остановки за 10 с автомобиля массой 2,5 т, движущегося со скоростью 180 км/ч,— более 220 кВт энергии. При этом теплота, выделяющаяся в тормозных узлах, должна рассеиваться до очередного торможения, в противном случае нарушается нормальный режим работы тормозов. Традиционные фрикционные материалы в подобных случаях не могут обеспечить требуемый режим работы узлов трения.

Использование же порошковых фрикционных накладок в тормозных системах самолетов позволяет значительно уменьшить длину посадочных полос аэродромов, что обеспечивает получение большого экономического эффекта. Порошковые антифрикционные материалы предназначены в основном для замены традиционных подшипниковых материалов и создания новых, не имеющих аналогов. Применение таких материалов позволяет увеличить в 1,5 3 раза срок службы узлов трения, достичь экономии материалов за счет полной или частичной ликвидации механической обработки при изготовлении деталей, снижения массы изделия и трудоемкости его изготовления.

Наиболее эффективна замена литых цветных металлов материалами на основе железного порошка. Таким образом, порошковая металлургия позволяет решать вопросы, связанные с изготовлением материалов и изделий как с обычными, так и особыми свойствами. Эффективность порошковой металлургии повышается в условиях массового производства изделий.

Так, в массовом производстве при изготовлении 1 тыс. т деталей методами порошковой металлургии экономится свыше 2000 т стали, высвобождается более 200 рабочих и 50 металлорежущих станков. С увеличением объема выпуска изделий себестоимость изготовления порошковых деталей снижается по сравнению с себестоимостью литых заготовок. Предполагается дальнейшее развитие теории и практическое применение методов порошковой металлургии.