Металлокерамика

 

Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые, железо-медно-графитовые, бронзо-графитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции. Процентный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкциям деталей.

 

Фрикционные материалы представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных окислов. Для уменьшения износа в композиции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрикционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или диском).

 

Коэффициент трения по чугуну без  смазки для фрикционных материалов на железной основе 0,4-0,6. Они способны выдерживать температуру в зоне трения до 500-600° С. Применяют фрикционные материалы в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и т. д.).

 

Из высокопористых материалов изготовляют  фильтры и другие детали. В зависимости  от назначения фильтры выполняют  из порошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана, бронзы и других материалов с пористостью до 50%. Металлические высокопористые материалы получают спеканием порошков без предварительного прессования или прокаткой их между вращающимися валками при производстве пористых лент. В порошки добавляй вещества, выделяющие газы при спекании.

 

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому, из них изготовляют режущий  и буровой инструменты, а также  наносят на поверхность быстроизнашивающихся деталей и т.д.

 

Основой изготовления твердых сплавов  являются порошки карбидов тугоплавких  металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в зависимости от их назначения

 

Порошковой металлургией изготовляют  алмазно-металлические материалы, характеризующиеся  высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков применяют  металлические порошки (медные, никелевые  и др.) или сплавы. Наибольшей твердостью характеризуются материалы из карбидов бора (эльбор).

 

Из жаропрочных и жаростойких  материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Эти  материалы должны иметь высокую  жаропрочность, стойкость против ползучести и окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама и других элементов отвечают этим требованиям при работе до температур 850-900° С.

 

При более высоких температурах (до 3000° С) можно использовать тугоплавкие  и твердые соединения типа окислов, карбидов, боридов и др. Однако эти материалы имеют высокую хрупкость и поэтому в чистом виде не могут быть использованы в качестве конструкционных материалов для изготовления различных деталей.

 

Применение порошковой металлургии  позволяет повысить пластичность этих хрупких тугоплавких соединений. В качестве металлической связки выбирают металлы и сплавы, жаропрочность  которых близка жаропрочности тугоплавких  соединений. Они должны не образовывать химических соединений, быть мало растворимыми в тугоплавких соединениях, а также иметь близкие значения коэффициентов линейного расширения, теплопроводности и модуля упругости.

 

Технология изготовления жаропрочных  конструкционных материалов характеризуется отдельными специфическими особенностями.

 

Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со специальными электромагнитными  свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т.д.).

 

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ  ДЕТАЛЕЙ

 

 

2.1 Приготовление смеси

 

Процесс приготовления смеси состоит  из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной  обработки.

 

Порошки с размерами частиц 50 мкм  и больше разделяют по группам  просеиванием на ситах, а более мелкие порошки - воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легкоплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно гранулируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.

 

Предварительную механическую или  термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения технологических  свойств порошков.

 

2.2 Способы формообразования заготовок  и деталей

 

Заготовки и детали из металлических  порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определенное количество подготовленного  порошка 3 и прессуют пуансоном 1. В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается силами механического сцепления частиц порошка, электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы. Это является причиной получения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

 

Односторонним прессованием изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30-40%.

 

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении прессования составляет 0,3-0,5% и 0,1-0,2 - в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм.

 

Давление прессования составляет 200-1000 МПа в зависимости от требуемой  плотности, размеров, формы прессуемой детали, вида прессуемого порошка  и других факторов. Использование  вибрационного прессования позволяет  резко (в 50-100 раз) уменьшить потребное  давление. Рабочие детали пресс-форм изготовляли из высоколегированных, инструментальных сталей и твердых сплавов.

 

Горячее прессование. При таком  прессовании технологически совмещаются  процессы формообразования и спекания заготовки с целью получения  готовой детали. Горячим прессованием получают детали из твердых сплавов и специальных жаропрочных материалов. Изготовляемые детали характеризуются высокой прочностью, плотностью и однородностью материала. При горячем прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура порошка позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс-форм (4-7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

 

Гидростатическое прессование. Это  прессование применяют для получения  металлокерамических заготовок, к  которым не предъявляют высоких  требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1. Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры.

 

Выдавливание. Этим способом изготовляют  прутки, трубы и профили различного сечения. Процесс получения заготовок заключается в выдавливании порошка через комбинированное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор до 10-12% от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с применением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гидравлических и механических прессах.

Прокатка. Этот способ - один из наиболее производительных и перспективных  способов переработки металлокерамических  материалов. Порошок непрерывно поступает  из бункера 1 в зазор между валками . При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечивающую заданную ее толщину.

 

Прокаткой получают ленты из различных  металлокерамических материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой изготовляют ленты из различных материалов (двухслойные).

 

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02-3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного профиля, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до нескольких миллиметров.

 

2.3 Спекание и окончательная обработка заготовок

 

Спекание проводят для повышения  прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной  подвижности атомов порошков одновременно протекают такие процессы, как  диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6-0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже температуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания рекомендуется проводить за три этапа: I - нагрев до температуры 150-200° С (удаление влаги); II - нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III - окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30---90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных значений приводит к увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению прочности за счет роста зерен кристаллизации.

 

Для спекания используют электрические  печи сопротивления или печи с  индукционным нагревом. Для предотвращения окисления спекают в нейтральных или защитных средах, а для повышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

 

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в специальных стальных пресс-формах или продавливанием пруткового материала через калиброванное  отверстие. При этом повышается точность и уплотняется поверхностный  слой заготовки.

 

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Особенностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработкой также нежелательна, так как в процессе резания масло вытекает из пор и, нагреваясь, дымит.

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза. Для сохранения пористости при обработке необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент.

 

2.4 Технологические требования, предъявляемые  к конструкциям деталей из  металлических порошков

 

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

 

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования. Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования , или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. Поэтому в их конструкциях нельзя допускать значительной разностенности , которая вызывает коробление и образование трещин.

 

При незначительной разностенности в  процессе прессования получают более  равномерную плотность по высоте детали. Длинные тонкостенные конструкции необходимо заменять на равнозначные по эксплуатационным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали. Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

 

Для свободного удаления заготовки  пресс-форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения заготовки, обратная конусность недопустима. Радиусы перехода сопрягающихся поверхностей должны быть не менее 0,2 мм.