Порошковая металлургия
ВВЕДЕНИЕ
Порошковой металлургией называют область науки и
техники, охватывающую производство металлических порошков, а также изделий из
них или их смесей с неметаллическими порошками. Ее важными отличительными
чертами являются получение и работа с твердым веществом в порошкообразном
состоянии и проведение операции нагрева (спекания) заготовок из порошков при
температуре ниже точки плавления соответствующего металла или, в случае смеси
разнородных порошков, ниже температуры плавления наименее тугоплавкого компонента
основы [1].
Среди имеющихся разнообразных способов обработки
металлов порошковая металлургия занимает свое особое место, так как позволяет
не только производить изделия (называемые порошковыми) различных форм и
назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным
путем крайне трудно или вообще невозможно.
Порошковая металлургия успешно конкурирует с
литьем, обработкой давлением, резанием и другими методами, дополняя или заменяя
их.
Основоположником порошковой металлургии является
профессор Петербургского Горного института Петр Григорьевич Соболевский,
который разработал улучшенный метод получения порошкообразной платины и
технологию изготовления на ее основе изделий путем прессования порошка и
последующего спекания прессованных заготовок, минуя стадии расплавления и литья
[2].
В отличие от традиционных методов производства
металлических изделий в порошковой металлургии при их изготовлении используется
не литой металл, а порошки чистых металлов и их сплавов, порошки неметаллических
материалов. Эта особенность порошковой металлургии позволяет создавать новые
материалы из металлических элементов, которые могут значительно отличаться по
температуре плавления и не сплавляться между собой, а также совмещать, в одном
материале металлы с компонентами неметаллической природы. Это открывает широкие
возможности для создания новых материалов с разнообразным комплексом
механических и физико-химических свойств, присущих как компонентам
металлической и неметаллической природы, так и соединениям, возникающим в
результате их взаимодействия.
Особенность порошковой технологии - возможность
создания из смесей порошков компактных материалов, минуя стадии плавления и
литья, - открывает широкие перспективы для разработки новых материалов с
разнообразным комплексом свойств, присущих как компонентам металлической и
неметаллической природы, так и возникающих в результате взаимодействия
гетерогенных высокодисперсных систем.
Применение методов порошковой металлургии при
изготовлении различных деталей позволяет резко повысить производительность
труда и эффективность производства, довести до минимума потери металла за счет
сокращения многооперационности, снизить занятость рабочих в производственном
цикле, сократить расход энергии на единицу изделия. Все эти преимущества
порошковой металлургии перед другими видами производства создали предпосылки
для ее интенсивного развития.
Важной особенностью при производстве порошков
является возможность переработки в порошок отходов металлургической (кузнечной
и прокатной окалины и т. п.) и машиностроительной промышленности (опилок,
стружки и др.). Причем если при металлургическом переделе отходов в металл
безвозвратно теряется более 20 % легирующих элементов и железа, то при
переделке отходов в порошок их использование практически достигает 100 %. В то
же время стоимость порошка, полученного из отходов, значительно меньше, чем
порошка, полученного из первичного сырья [2].
В настоящее время порошковая технология в высшей
степени отвечает требованиям ресурсосбережения и малоотходности, обеспечивая
также возможность создания материалов, которые по физико-механическим и
эксплуатационным характеристикам превосходят материалы, изготовляемые
традиционными способами. Пористые материалы, многие антифрикционные,
фрикционные, жаропрочные, инструментальные композиции, многие материалы со
специальными магнитными, ядерными, электрическими и другими свойствами могут
быть изготовлены только с использованием порошков [3].
Динамичное развитие порошковой металлургии
объясняется тем, что она позволяет преодолевать технологические трудности
изготовления изделий из тугоплавких металлов, создавать материалы с особыми,
часто уникальными составами, структурой и свойствами, иногда вообще
недостижимыми при применении других методов производства, либо с обычными
физическими и механическими свойствами, но при существенно лучших экономических
показателях [4].
1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
.1 Антифрикционные материалы
Порошковые антифрикционные материалы [4]
предназначены для производства изделий с низкими потерями на трение; их
определяющий признак - сравнительно низкий коэффициент трения (обычно ≤
0,3, в том числе при наличии смазки < 0,1). Они работают в основном при
граничной смазке, скоростях скольжения v ≤ 6м/с и давлениях p ≤ 25
МПа, т.е. при pv не более 150 - 200 МПа∙м/с. Прирабатываемость,
определяемая временем, необходимым для снижения коэффициента трения между
подшипником и валом до его заданной величины, у порошковых антифрикционных
материалов обычно хорошая. Их структура должна быть гетерогенной,
мелкозернистой и отвечать правилу Шарли, т.е. представлять собой сочетание
твердых и более мягких компонентов, причем одним из них, самым мягким, в таких
антифрикционных материалах являются поры - составляющая с нулевой твердостью; к
тому же поры могут быть заполнены смазкой.
Именно метод порошковой металлургии наиболее
эффективен для изготовления антифрикционных изделий различного химического
состава с хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, низким и
стабильным коэффициентом трения, хорошей сопротивляемостью схватыванию и
другими полезными качествами. Наличие пор позволяет придавать антифрикционные
свойства материалам, которые в литом состоянии ими не обладают (например,
порошковое пористое железо или материалы на его основе успешно работают в
различных узлах трения). Поры изменяют сам механизм прирабатываемости трущихся
поверхностей. У порошковых материалов вследствие изменения и перераспределения
объема пор происходит необратимая пластическая деформация в поверхностном и
прилегающем к нему значительном по глубине (до нескольких миллиметров)
приповерхностном слое, тогда как у литых материалов хорошая прирабатываемость
обеспечивается только в поверхностном слое толщиной всего в несколько
микрометров вследствие уменьшения шероховатости, в том числе и путем его износа
[4].
Хорошая прирабатываемость порошкового пористого
материала повышает качество поверхности, улучшая антифрикционные и
эксплуатационные свойства изделий из него.
Говоря о порошковых антифрикционных [4]
материалах и изделиях, обычно имеют в виду пористые подшипники, многослойные,
металлопластмассовые и металлостеклянные антифрикционные материалы. Они находят
широкое применение в тракторо- и сельхозмашиностроении, автомобильной
промышленности, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, в
текстильной и пищевой промышленностях, в авиационной и бытовой технике,
приборостроении и др.
При обозначении марок порошковых антифрикционных
материалов применяют буквы и цифры: Ж - железо, Гр - графит, Д - медь, Бр
-бронза, О - олово, Н - никель, X - хром, М - молибден, К - сера и
сульфидирование, Цс - сернистый цинк, Б - бор и борирование, Ц -цементирование,
С - свинец, МГ - металлографит, Мс - дисульфид молибдена, Ф - фосфор, ФТ -
фторопласт; цифры после букв указывают на содержание соответствующего элемента
(например, ЖГр2 - 2% графита, остальное железо до 100 %).
Антифрикционные материалы [5] широко применяются
для изготовления подшипников скольжения, воспринимающих нагрузки, возникающие
при работе механизмов и машин, и обеспечивающих движение сопряженных деталей
конструкции с одновременной фиксацией их в осевом и радиальном направлениях.
Неизбежно возникающие при этом потери энергии на трение должны быть
минимальными.
К порошковым антифрикционным материалам
предъявляются следующие требования: низкий коэффициент трения, высокая
износостойкость, большая несущая способность, хорошая прирабатываемость,
достаточная статическая и динамическая прочность, большая теплопроводность и
незначительное тепловое расширение [5].
Чтобы по возможности уменьшить трение
контактирующих тел при скольжении, необходимо разделить поверхности скольжения
пленкой жидкой или газообразной смазки. Смазка исключает прямой контакт и
значительно уменьшает износ контактирующей пары, снижая потери энергии на
трение. Однако это имеет место не всегда и не везде. Очень часто контактирующие
пары работают в условиях смешанного трения, когда жидкостному трению
сопутствует сухое трение контактирующих тел (например, в подшипниках с
гидродинамической смазкой при разгоне и остановке, когда давление, возникающее
в зазоре между валом и подшипником, недостаточно для создания сплошной
смазочной пленки).
В ряде случаев подача смазки в подшипники после
их установки в машине затруднена или вообще невозможна. В этих условиях
необходимо либо заранее снабдить подшипники достаточно большим запасом смазки,
либо сделать так, чтобы смазка содержалась в самом материале подшипников. Такие
материалы называют длительно смазывающимися. Если сам материал подшипников
обладает смазочными свойствами (высокополимеры и графит), то речь идет о
самосмазывающихся подшипниках.
Подшипники скольжения, работающие без смазки,
могут изготавливаться из антифрикционных материалов методом порошковой
металлургии. Поры таких материалов пропитываются жидкими или газообразными смазками;
смазочный материал может входить в состав композита в виде твердой
составляющей. Доля выпуска подшипниковых материалов в объеме производства всей
отрасли порошковой металлургии составляет в отдельных индустриально развитых
странах 15-35 % [5].
1.2 Требования, предъявляемые к
материалам пресс-форм
После определения схемы применения пресс-формы
необходимо выбрать материал основных деталей пресс-формы, так как только после
этого можно провести расчеты на жесткость и прочность, сконструировать пресс-форму
и разработать технологию её изготовления [6].
Помимо характеристик жёсткости и прочности,
определяющих размеры пресс-формы и её конструкцию, при выборе материала
пресс-форм для холодного прессования порошков необходимо учитывать его
износостойкость в условиях абразивного износа прессуемым порошком, предел
выносливости в условиях растяжения-сжатия или несимметричного сжатия,
дефицитность и обрабатываемость. Наиболее полной характеристикой материала
пресс-формы являются затраты на её изготовление, отнесенные к тому количеству
прессовок, которое можно снять с пресс-формы до достижения ею предельного
износа. В табл. 1.1, 1.2 приведены технические и технико-экономические
характеристики материалов пресс-форм для холодного прессования, определяющие
выбор материала в зависимости от масштабов производства и ряда других факторов
[1].
Для изготовления пресс-форм [7] применяют
инструментальные и износостойкие стали, легированные хромом, марганцем,
вольфрамом и другими элементами. Рекомендуемые материалы для пресс-форм указаны
в табл. 1.3.
Для повышения износостойкости матрицы ее рабочие
поверхности подвергают хромированию, сульфидированию и другим методам
упрочнения. Кроме того, для матриц, стержней, пуансонов рекомендуется
металлокерамические твёрдые сплавы ВК8, ВК11, ВК15, ВК20, позволяющие в
несколько раз увеличить их срок службы [7].
1.3 Формообразующее оборудование
Основное место среди оборудования для
формообразования заготовок и изделий из порошков занимает кузнечно-штамповочное
(кузнечно-прессовое)
Таблица 1.1 - Свойства материалов в условиях
работы пресс-форм для прессования порошков
Материал
рабочих частей пресс-форм
|
Вид
термообработки*
|
Твердость,
HRC
|
Микротвердость
поверхностного слоя, МПа
|
Износ,
мкм за 5 тыс. прессований
|
|
|
|
|
матрицы
|
стержня
|
У10А
|
1
2 3 4
|
62
56-60 38-42 60
|
-
10500 8000 11500
|
14,2
8,5 10 8,6
|
9,2
7,2 8,25 2,6
|
3Х2В8Ф
|
1
2 3 4
|
40-50
40-42 38-45 41-42
|
-
15000 9500 12200
|
-
1 5,6 7,2
|
-
1,6 4,8 6
|
ХВГ
|
1
2 3 4
|
62
61-62 48-54 57-60
|
-
12200 10500 15000
|
8,3
3,8 5,3 5
|
6
2 4,2 3
|
Х12М
|
1
2 3 4
|
62-63
58-60 55 60-61
|
-
18000-20000 10500 13000-15000
|
4
1,7 2,5 2,4
|
3,6
0,83 2,3 0,86
|
Р6М5
|
1
2 3 4
|
63
65-68 60 52-54
|
-
19000-21000 11000 18000
|
2,4
1,7 2 1,9
|
-
- - -
|
ВК20
|
-
|
69
|
-
|
0,8
|
-
|
Т50НС
|
-
|
69
|
-
|
2,7
|
-
|
*1
- закалка с отпуском, 2 - борирование и закалка, 3 - закалка и азотирование,
4 - диффузионное хромирование и закалка.
|
оборудование, основным назначением которого
является объемное формообразование промежуточных заготовок - прессовок или
штамповок - из массы свободно насыпанного или предварительно сформованного
порошка. Любая машина этой группы содержит в своем составе привод, аккумулятор
энергии привода, передаточный механизм, исполнительное звено с формообразующим
инструментом, силовоспринимающую конструкцию.
Общая классификация кузнечно-штамповочных машин
приведена на рис. 1.1. В основу этой классификации положены: характер изменения
скорости
Таблица 1.2 - Приведенные относительные затраты
на изготовление пресс-форм
Материал
рабочих частей пресс-форм
|
Вид
термообработки
|
Относительные
затраты на изготовление одной пресс-формы
|
Стойкость
пресс-форм, тысяч прессований
|
Относительные
затраты на одну тысячу прессований, % к эталону
|
|
|
материал,
% к общим
|
обработка,
% к общим
|
общие,
% к эталону
|
|
|
У10А
|
1
2 3 4
|
1
17 15 4
|
99
83 85 96
|
76
104 98,5 84
|
8,5
13,5 13,5 12
|
620
540 510 500
|
3Х2В8Ф
|
1
2 3 4
|
9
22 20 11
|
91
78 80 89
|
82
110 104 90
|
-
16,5 100 21
|
-
475 74 306
|
ХВГ
|
1
2 3 4
|
2,5
18 16 6
|
97,5
82 84 94
|
76
105 100 85
|
14,5
24 21,5 22,5
|
370
306 220 264
|
Х12М
|
1
2 3** 4
|
3
18 16 6
|
97
82 84 94
|
77
105 100 85
|
30
50 70,5 48
|
179
147 100 124
|
Р6М5
(матрица)
|
1
2 3 4
|
10
22 21 10
|
90
78 79 90
|
83
111 105 105
|
50
63 70 57
|
115
123 105 112
|
ВК20
(матрица)
|
-
|
18
|
82
|
169
|
150
|
78
|
Т50НС
(матрица)
|
-
|
16
|
84
|
163
|
44
|
259
|
*1
- закалка с отпуском, 2 - диффузионное хромирование и закалка, 3 -
борирование и закалка, 4 - закалка и азотирование. ** - Эталон.
|
рабочего звена исполнительного механизма машины
на участке рабочего хода, т. е. перемещения во время преодоления сопротивления
деформированию; уровень скорости приложения нагрузки в начальный момент
рабочего хода; принцип работы машины. Количественные критерии для отнесения
машины к тому или иному классу приведены в табл. 1.4, где v - скорость
деформирующего инструмента в начальный момент деформирования; |v| -средняя
скорость процесса формоизменения; t - продолжительность взаимодействия
деформирующего
Таблица 1.3 - Рекомендуемые материалы для
пресс-форм
Наименование
деталей пресс-форм
|
Рекомендуемая
марка стали для деталей пресс-форм
|
Твёрдость
материала HRC
|
Деталь
пресс-форм
|
Степень
сложности пресс-форм
|
Основной
|
Возможный
заменитель
|
|
Матрицы
и стержни
|
Простой
формы
|
ШХ15
|
ХВГ
|
58-62
|
|
Средней
сложности
|
ХВГ
|
ШХ15
|
58-62
|
|
Сложной
формы и для пресс-формы, предназначенных для работы с большими нагрузками
|
3Х12
|
-
|
58-62
|
|
Для
пресс-форм, Предназначенных для работы с подогревом до 250-300ºС
|
Х12Ф1
|
Х12М
|
58-62
|
Пуансоны
|
Простой
формы
|
ХВГ
|
9ХС
|
57-60
|
|
Сложной
формы
|
Х12Ф1
|
ХВГ
|
57-60
|
Обоймы
|
Для
съёмных пресс-форм
|
45
|
40
|
35-40
|
|
Для
стационарных пресс-форм
|
5Х
|
45
|
40-45
|
Направляющие
колонки и втулки
|
Для
пресс-форм любого назначения
|
20Х
|
20
|
56-58
|
Пуансонодержатели,
штыри, крышки, ограничители, подкладочные плитки
|
Для
пресс-форм любого назначения
|
45
|
40
|
35-45
|
инструмента и деформируемой заготовки; Т0 -
период наиболее медленных колебаний взаимодействующих масс.
В порошковой металлургии в той или иной степени
находят применение все виды машин, представленных в классификационной схеме.
Прессом называют машину квазистатического
действия, в которой преодоление сопротивления заготовки деформированию
осуществляется при перемещении рабочего звена - ползуна, а усилие
деформирования воспринимается замкнутой силовой несущей системой, включающей
исполнительный механизм,
Рисунок 1.1 - Классификация
кузнечно-штамповочных машин
Таблица 1.4 - Скоростные критерии классификации
кузнечно-прессовых машин
جîëîٍîى
يàçûâàٍ
ىàّèيَ
َنàًيîمî
è êâàçèَنàًيîمî
نهéٌٍâèے, â êîٍîًîé ٌîïًîٍèâëهيèه
çàمîٍîâêè
نهôîًىèًîâàيè
ïًهîنîëهâàهٌٍے
çà ٌ÷هٍ ًàٌُîنîâàيèے
êèيهٍè÷هٌêîé
يهًمèè,
يàêîïëهييîé
èٌïîëيèٍهëüيûى
çâهيîى
ê
ىîىهيٍَ
يà÷àëà
نهôîًىèًîâàيèے. آهëè÷èيà
ٍîé يهًمèè
ےâëےهٌٍے
îٌيîâيûى
ïàًàىهًٍîى
ىîëîٍà.
ہêêَىَëےٍîًîى
يهًمèè
ےâëےهٌٍے
َنàًيàے
ىàٌٌà.
ذîٍîًيîé
يàçûâàٍ
ىàّèيَ
êâàçèٌٍàٍè÷هٌêîمî
نهéٌٍâèے, â êîٍîًîé ïًهîنîëهيèه
ٌîïًîٍèâëهيèے
çàمîٍîâêè
نهôîًىèًîâàيè
îٌَùهٌٍâëےهٌٍے
ïًè
âًàùهيèè ًàلî÷همî
îًمàيà ٌ èيًٌٍَىهيٍîى
èëè
çàمîٍîâêè
ïًè يهïًهًûâيîى
ïهًهىهùهيèè
çîيû
êîيٍàêٍà
çàمîٍîâêè ٌ èيًٌٍَىهيٍîى. أëàâيûىè
ïàًàىهًٍàىè
ىàّèيû
ىîمٍَ
ےâëےٍüٌے
ًàçâèâàهىûه
ه
ٌَèëèے
èëè
êًٍَےùèé
ىîىهيٍ. ہêêَىَëےٍîًîى
يهًمèè
ےâëےهٌٍے
ىàُîâèê.
بىïَëüٌيîé
يàçûâàٍ
ىàّèيَ, â êîٍîًîé
ًٌهنيèé مًàنèهيٍ
يàًàٌٍàيèے
ٌêîًîٌٍè
ïهًهنàùهé
ًٌهنû âî âًهىهيè
â ïًîِهٌٌه
âîçنهéٌٍâèے
يà
نهôîًىèًَهىûé
ىàٍهًèàë
èëè ïًîىهوٍَî÷يîه
çâهيî
ïًهâûّàهٍ
104 ى/ٌ2. دًهîنîëهيèه
ٌîïًîٍèâëهيèے
çàمîٍîâêè
نهôîًىèًîâàيè
îٌَùهٌٍâëےهٌٍے
ًٌهنîé, ïهًهنàùهé
نàâëهيèه
- مàçîى, وèنêîٌٍü, ٍâهًنûى
ٍهëîى. ہêêَىَëےٍîًîى