Процессы и технологии получения порошковых материалов

Рисунок 1.Технологическая схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* Примечания см. таблицу 6

Данная технологическая схема обеспечивает достаточно высокий уровень автоматизации процесса и позволит вести экономически выгодное производство заданной детали. В таблице 6 приведены критерии, по которым деталь будет проходить технологический контроль.

 

Таблица 6. Виды технологического контроля

 

Операция	Контроль
Входной контроль	Проверка порошков на соответствие сертификатам производителя; Гранулометрический состав порошка ГОСТ 18318-94; Отсутствие комков и примесей – визуально; Массовая доля влаги; Насыпная плотность ГОСТ 19440-74; Текучесть порошка ГОСТ 20899-75
Подготовительные операции	Массовая доля влаги; Гранулометрический состав порошка ГОСТ 18318-94;
Дозировка	Определение химического состава ГОСТ 28378 – 89;
Смешивание	Однородность смеси. Контролируются технологические свойства смеси (насыпная плотность, текучесть, прессуемость, спекаемость), физико-механические свойствам спеченных образцов, химическим и микрохимическим анализам проб.
Прессование	Плотность, пористость, дефекты (сколы, расслоения, осыпания¸ заусенцы, риски и др), линейные размеры.
Спекание	Плотность, пористость, усадка, дефекты ( скрытый расслой, коробление и искажение, пережог, вспучивание, выпотевание и др).

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Обоснование методов и параметров технологических процессов

1. Выбор исходных материалов

Исходя из данных об условиях детали и требований, предъявляемых к материалу, из которого она должна быть изготовлена, был выбран материал марки ПК70Д3

Исходные порошковые материалы для получения материала ПК70Д3 представлены в таблице 4.

Основу материала составляет порошок марки ПЖВ1. Исходным сырьем для данного порошка среди традиционных источников таких как окисленные руды и рудные концентраты, так же служат отходы и побочные продукты металлургического производства (например, прокатная окалина), а также различные химические соединения металлов.

Химическое восстановление один из распространенных и экономичных способов получения качественных порошков железа.

 

3.2 Подготовка порошков к смешиванию

Порошки представляют собой совокупность частиц округлой и осколочной формы. Форма частиц и их размеры оказывают определенное влияние на их формуемость, спекаемость и определенный комплекс механических свойств порошковых изделий. [7]

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 [6].

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.

При подготовке порошков от композиции к операции формования готовят шихту путем смешивания различных порошков. Для некоторых порошков используют операцию просева.

1. Просев. Достижение одинакового размера происходит путем просеивания. Просеивание - это разделение материала на отдельные фракции по размеру частиц. Цели просеивания: достижение однородности материала, достижение текучести, достижение точности дозирования. В результате просеивания исходный материал разделяется на две фракции: просев (нижний продукт) и отсев (верхний продукт). Просев порошков чаще всего осуществляют на виброситах ввиду простоты устройства [8].
2. Сушка: предназначена для удаления избытка влаги в порошке. Порошок графита просушить в сушильном шкафу в течение часа, при температуре 120°С.

3.3 Смешивание

Смешивание является одной из важных операций при изготовлении материалов и изделий из порошков. Оно заключается в приготовлении однородной механической смеси из порошков различного химического и гранулометрического состава. Задачи смешивания – превращение совокупности частиц твердых компонентов в макрооднородную смесь.

Результат смешивания определяется формой и величиной частиц, числом смешиваемых компонентов и соотношением их количеств, коэффициентом трения между частицами, способностью частиц к слипанию и другими факторами [9].

Смешивание производят механическим или химическим методом, механическое смешивание – в барабанах, конусных смесителях, шнековых, шаровых и вибромельницах и т.д. Емкость барабанов обычно составляет 100 – 500 л. Барабан заполняют шихтой примерно на 1/2 - 1/3 объема.

Скорость вращения смесителя составляет 30 – 40% критической и равна 40 об/мин. Длительность смешивания 5 часов. Для интенсификации смешивания в смеситель помещают шары, державки резцов, обрезки в количестве 1/4 - 1/3 массы шихты [4].

Для улучшения прессуемости и грануляции порошков при смешивании в смеситель вводят пластифицирующие добавки (растворы в органических жидкостях парафина, воска, каучука и др.), которые обволакивают частицы и при прессовании создают дополнительную прочность прессовок, облегчая их трение между стенками пресс-формы и самими частицами. Кроме присадок, улучшающих процесс прессования, в смесь могут вводится добавки, формирующие те или иные свойства прессовок. Например, поризаторы, обеспечивающие высокую пористость изделий. Мы добавили стеарат цинка в количестве 1% от всей массы шихты для улучшения условий прессования.

Результаты смешивания контролируют либо по физико-технологическим свойствам шихты, определяя гранулометрический состав, насыпную массу, текучесть, прессуемость, либо химическим анализом проб. На практике обычно контролируют часть технологических характеристик смеси и проводят химический анализ проб из неё [9].

 

3.4 Прессование

Прессование металлических порошков представляет собой технологическую операцию, в результате которой под действием приложенного усилия из бесформенного сыпучего порошка получается прочное тело – прессовка по форме и размерам близкая к форме и размерам готового изделия.

При изготовлении деталей машин и приборов наибольшее применение находит метод холодного прессования в закрытых пресс-формах.

Применимость этого метода объясняется тем, что он легко поддается автоматизации и обеспечивает получение заготовок по форме и размерам (с учетом изменения размеров после выпрессовки и спекания), соответствующих готовым изделиям. В ряде случаев изделия, спрессованные в закрытых пресс-формах, после спекания проходят дополнительную обработку в целях улучшения состояния поверхности, повышения точности по размерам, придания специальных свойств [6].

При изготовлении изделий простой формы, у которых отношение длины или высоты к диаметру или толщине не превышает трех, применяется одностороннее прессование. При одностороннем прессовании давление на порошок передается посредством одного подвижного пуансона (обычно верхнего). Роль нижнего пуансона выполняет неподвижный вкладыш, с помощью которого происходит формование только нижней торцевой поверхности, но не передача внешнего давления.

При прессовании различных материалов величина давления, необходимого для достижения определенной плотности прессовок, будет различной. Чем пластичнее материал порошка, тем при более низких давлениях начинается уплотнение порошков за счет деформации частиц.

Для контроля давления прессования применяются ограничители «до упора», которые препятствуют дальнейшему продвижению пуансона в матрицу. Это позволяет добиваться постоянства заданной высоты изделия. Однако при таком прессовании возможна большая неоднородность по плотности. При массовом производстве, когда даются небольшие допуски по высоте изделий, целесообразно применять прессование до упора. Прессование до упора обеспечивает высокую производительность и позволяет применять прессы любой конструкции. При расчете высоты прессовки при прессовании до упора учитывается усадка при спекании и упругое, расширение прессовки при удалении ее из пресс-формы, т. е. При прессовании в закрытых пресс-формах при достижении заданного давления дается небольшая выдержка (3 ... 10 с) под давлением прессования. Назначение выдержки - повысить плотность прессовок за счет более полной пластической деформации.

При прессовании в собранную и установленную на плиту пресса прессформу засыпается порция порошковой смеси и устанавливается пуансон, через который от пресса на порошковую смесь передается соответствующее давление и под действием усилия начальный объём сыпучей порошковой смеси уменьшается, происходит деформирование её и формируется брикет, называемый прессовкой, заданной формы и размеров. После выдержки при заданном давлении нагрузка снимается и спрессованная заготовка выталкивается из пресс-формы.

Перемещение частиц порошка, происходящее при прессовании, приводит к возникновению давления на стенки пресс-формы называемом боковым. Оно значительно меньше приложенного к порошку давления из-за трения между частицами и других факторов, затрудняющих смещение частиц. Боковое давление изменяется по высоте прессуемых брикетов из-за сил трения, возникающих между движущимися частицами порошка и стенками пресс-формы. Это явление называется внешним трением.

Одним из способов уменьшения внешнего трения и повышения плотности брикета является применение смазки при прессовании. Используемые смазки могут быть активными и инертными.

Активные смазки изменяют физико-механические свойства порошковых частиц, понижают прочность поверхностных слоев частиц, что облегчает их деформирование и способствует уплотнению. Инертные смазки не оказывают какого-либо воздействия на материал порошка, но способствуют уменьшению сил трения.

В качестве смазок чаще всего используют стеариновую кислоту и её соли, парафин, олеиновую кислоту, глицерин, камфору и другие вещества.

После прессования для удаления брикета из прессформ необходимо приложить некоторое усилие, которое называется давлением выталкивания. Оно пропорционально давлению прессования и упругих свойств материала порошка. Возникновение его связано с самопроизвольным увеличением размеров прессовки при снятии с неё давления в результате действия внутренних напряжений, возникающих в процессе уплотнения порошка. Это явление носит название упругого последействия и имеет место и после выпрессовки брикета из прессформ даже в течение некоторого времени [10].

Прессование детали «пята» проводят при давлении 600 МПа. При давлении 600 МПа прессовки будут иметь достаточную плотность и свойства для дальнейшей работы с ними. Для уменьшения внешнего трения и повышения плотности брикета в шихту будет добавляться стеарат цинка [10].

 

5. Спекание

Спекание порошковых материалов представляет собой тепловую обработку спрессованных заготовок при температуре 0,7 – 0,9 температуры плавления основного металла в многокомпонентной системе порошков.

Это одна из важнейших технологических операций, результатом которой является превращение непрочной заготовки в прочное спеченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам литого материала.

Повышение длительности и температуры спекания, дисперсности порошков, введение легирующих добавок, способствующих улучшению смачивания компонентов, применение активирующих газовых сред, приложение небольших нагрузок способствуют повышению усадки, плотности и физико-механических свойств изделий. В некоторых многокомпонентных системах с различными парциальными коэффициентами диффузии одного компонента в другой и обратно образуется диффузионная пористость, и вместо усадки наблюдается рост изделий (особенно при их высокой температуре).

При спекании происходит удаление газов, адсорбированных на поверхности частиц, возгонка различных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление и растворение оксидов, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла, качественное изменение межчастичных контактов и формы пор [11]