Процессы и операции формообразования СЕМИНАР-8 ФОРМООБРАЗОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Вопросы семинара 1 Особенности технологии порошковых материалов 2 Порошковая металлургия 3 Изготовление изделий из композитов и порошковых материалов 4 Процесс получения твердосплавных пластин 5 Резюме по теме
Особенности технологии порошковых материалов ¡ Требования современной эксплуатации изделий: l l необходимо, чтобы изделие имело особые свойства, однако металлургия не может удовлетворить все запросы конструкторов. Химический состав металла во всем объеме заготовки, поставляемый металлургией, на машиностроительном заводе изменить невозможно, а хотелось бы иметь различия в химическом составе, допустим, по толщине (листа, втулки, сосуда, инструмента, пр. ).
Особенности технологии порошковых материалов ¡ Технология порошковой металлургии состоит из следующих последовательных операций: l l l получение порошка из металла, прессование (брикетирование) его, спекание (увеличение прочности) брикетов.
Изделия из порошковых материалов Порошковая металлургия – это особая отрасль техники, сущность которой заключается в изготовлении различными методами порошков металлов, их сплавов, а затем различных полуфабрикатов и готовых изделий из них путем брикетирования ¡ Изделия, изготовляемые методом порошковой металлургии, в соответствии с ГОСТом называются спеченными. ¡
Изделия из порошковых материалов ¡ ¡ ¡ Перевод 1 т деталей на изготовление методом брикетирования порошка экономит в машиностроении 2, 5 т проката. 1 т железного порошка экономит до 2, 2 т руды и 0, 33 т коксующегося угля. Высвобождаются и трудовые ресурсы, и металлорежущие станки. Спеченные изделия обеспечивают и бо льший срок службы, чем изделия из проката или литья. Стойкость спеченных деталей гидроаппаратуры в 2 – 2, 5 раза выше, чем стойкость тех же деталей, изготовленных из стали традиционным способом. Стойкость инструмента из порошковой быстрорежущей стали выше в 5 – 6 раз, а стойкость спеченных валков прокатных станов – в 30 – 50 раз.
Изделия из порошковых материалов ¡ ¡ ¡ Порошковые материалы предназначены для изготовления деталей малых размеров и симметричной формы. Это объясняется тем, что при изготовлении этих деталей (цилиндрических, конических) необходимо равномерное заполнение прессформы порошком, а также его уплотнение и прессование для получения готового изделия определенных параметров и характеристик. В ядерной энергетике порошковые материалы (В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, РЗЭ и др. и их соединений) с особыми свойствами используют в качестве поглотителей, замедлителей, из них изготовляют регулирующие стержни, а также твэлы (с использованием порошков диоксида, карбида, нитрида U и порошков тугоплавких соединений других трансурановых элементов)
Технология порошковых материалов ¡ ¡ ¡ Методы порошковой металлургии позволяют создавать принципиально новые материалы, которые сложно или невозможно получить другими способами. С помощью этих методов можно получить многослойные композиции, различные комбинации металлических и неметаллических компонентов, пористые материалы с широким диапазоном контролируемой пористости, изделия из тугоплавких металлов и т. д. Порошковая металлургия дает возможность свести к минимуму отходы металла в стружку, упростить технологию изготовления деталей и снизить трудоемкость их производства.
Технология порошковых материалов ¡ Технологический процесс изготовления изделий из порошков включает: l l l ¡ подготовку шихты, формование, спекание, горячее прессование, штамповку. Иногда применяют дополнительную обработку, состоящую из пропитки деталей смазочными материалами, термической и химико-термической обработки, калибрования и обработки резанием. получение порошков,
Технология порошковых материалов ¡ ¡ Размеры частиц порошка обычно составляют от 0, 1 мкм до 0, 1 мм. Более крупные фракции называют гранулами, а более мелкие – пудрой. ¡ ¡ ¡ Рисунок 33. 1 -Форсунка для распыления: 1 – расплав; 2 - газ Металлические порошки получают: l физико-механическими l и химико-металлургическими способами. В основе физико-механических способов лежат методы механического измельчения металлов в твердом и жидком состояниях. К ним относятся дробление и размол стружки в мельницах, распыление расплавленного металла струей сжатого воздуха, газа или жидкости, грануляция при литье расплавленного металла.
Технология порошковых материалов ¡ ¡ ¡ ¡ Гранулы засыпают в стальной сосуд. Лишь примерно 70 % сосуда составляет металл, остальное – воздух. Сосуд (капсулу) герметизируют, откачивают воздух и нагревают при температуре, составляющей 80 % от температуры плавления данного металла – плавление недопустимо. На нагретый металл оказывают весьма большое внешнее давление. Гранулы спекаются в единую плотную массу, где все 100 % объема составляет металл. Никаких пор, никаких вкраплений, никакого воздуха слиток не содержит. В таких случая металлурги говорят, что плотность составляет 100 %.
Технология порошковых материалов ¡ ¡ К химико-металлургическим способам относятся способы восстановления металлов из оксидов, электролитическое осаждение металлов из водных растворов солей, термическая диссоциация карбонильных соединений металлов. В общем виде реакцию восстановления можно записать следующим образом: Ме + Х Ме + А – Q, где Ме – металл; А – неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток); Х – восстановитель; Q – тепловой эффект реакции.
Технология порошковых материалов ¡ ¡ Восстановителем может быть вещество, которое при выбранной температуре имеет большее химическое сродство к неметаллической составляющей, чем металл. В качестве восстановителя используется водород, монооксид углерода, аммиак, природный газ, кокс и др. Сырьем для восстановления медных, никелевых и кобальтовых порошков служат оксиды меди (Cu 2 O, Cu. O), монооксид никеля (Ni. O), оксиды кобальта (Co 2 O 3, Co 3 O 4). Восстановление проводят в муфельных печах водородом, диссоциированным аммиаком, природным газом. Температура восстановления для меди – 400… 500 град. С; для никеля – 700… 750 град. С; для кобальта – 520… 570 град. С. После восстановления получают губку, которая хорошо растирается в порошок. Сырьем для восстановления вольфрама служит продукт разложения вольфрамовой кислоты H 2 WO 4 – вольфрамовый ангидрид или паравольфрамат аммония 5 Na 2 O · 12 WO 3 · 11 H 2 O. Восстановление вольфрама проводят в электропечах водородом (850… 900 град. С) или углеродом (1350… 1550 град. С). Аналогично получают порошки молибдена, титана, циркония, ниобия, стали.
Изготовление изделий из композитов и порошковых материалов ¡ Формование металлических порошков Целью формования является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделия. Формование как процесс начинается с этапов l l отжига, классификации, приготовления смеси с дозированием и только после этого следует этап придания заготовкам формы.
Изготовление изделий из композитов и порошковых материалов ¡ ¡ ¡ Формование металлических порошков Отжиг в технологии порошковой металлургии необходим для повышения пластичности и прессуемости порошка за счет восстановления остаточных оксидов и снятия наклепа. Нагрев осуществляется в защитной атмосфере (инертной, восстановительной) или в вакууме при температуре, равной (0, 4… 0, 6)tпл, где tпл – температура плавления, град. С. Классификация – сортировка по размеру осуществляется в ситах для крупных порошков размером до 50 мкм, или методами воздушной сепарации для порошков мельче 50 мкм. Перед смешением в металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: l l l ¡ ¡ пластификаторы (парафин, стеарин и др. ), облегчающие процесс прессования; легкоплавкие металлы, улучшающие процесс спекания; летучие вещества для получения деталей с заданной пористостью. Подготовленные порошки смешивают в специальных устройствах (шаровые мельницы, вращающиеся барабаны и др. ) и далее приступают к формованию. Формование заготовок из ПМ проводится методами l l прессования, изостатического формования, прокаткой или выдавливанием.
Изготовление изделий из композитов и порошковых материалов Рисунок 33. 2 -Холодное прессование и кривая процесса упрочнения а – одностороннее прессование одним пуансоном; б – то же набором пуансонов; в - двухстороннее; г – кривая процесса упрочнения; 1 – порошок; 2 – пресс-форма; 3 – пуансон; А, Б, В – характерные участки кривой упрочнения; → – усилие прессования
Изготовление изделий из композитов и порошковых материалов ¡ ¡ Рисунок 33. 3 -Гидростатическое формование: 1 – сосуд высокого давления; 2 – эластичная оболочка; 3 - порошок При изостатическом (всестороннем) прессовании отсутствуют потери на внешнее трение, а равномерность всестороннего давления позволяет получать требуемую плотность заготовки при меньших давлениях по сравнению с прессованием в закрытых пресс-формах. В промышленности освоены три основных вида изостатического формования: l l l гидростатическое, формование с помощью эластичной оболочки, горячее формование.
Изготовление изделий из композитов и порошковых материалов ¡ Наиболее производительным способом получения изделий из порошков с высокой степенью автоматизации и непрерывности процесса является прокатка Рисунок 33. 4 -Прокатка порошков как способ изготовления полуфабрикатов: а - однослойных, б – двухслойных; 1 – бункер; 2 – порошок; 3 – валки; 4 – лента или полоса; 5 – перегородка; → – направление движения валков
Insert Manufacturing
Резюме по теме ¡ ¡ В настоящее время в машиностроении широкое применение получил процесс порошковой металлургии – изготовление заготовок и готовых изделий из порошков металлов и различных конструкционных материалов, так как этот процесс отличается почти полным отсутствием отходов, минимальной стоимостью и трудоемкостью, а также возможностью получить изделия с заданными свойствами. Различают конструкционные порошковые материалы ¡ ¡ ¡ общего назначения, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы; обладающие специальными свойствами – высокой износостойкостью, твердостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, специфическими магнитными и электрическими характеристиками; в зависимости от нагружения: мало- средне – тяжелонагруженные детали (статическими и динамическими усилиями); различные по пористости (плотности). Применение изделий из порошковых материалов отмечается увеличением срока их службы.
Резюме по теме Преимущества порошковых материалов: 1. Возможность получения материалов с резко отличающимися свойствами их составляющих: композиций из металлических и неметаллических композитов, из компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде (Fe-Pb, W-Cu и другие). 2. Получение материалов с особыми физическими характеристиками и структурой (пористые материалы). 3. Порошковые изделия получают в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей механической обработки. 4. В ряде случаев спечённые материалы имеют более высокие свойства, чем литые (например, быстро режущиеся стали, жаропрочные сплавы, Be-изделия и другие). 5. Возможность использования отходов производства.
Резюме по теме Недостатки порошковых материалов 1. Изготовление деталей массового использования методом порошковой металлургии целесообразно лишь при больших масштаба производства (дорогое оборудование для получения и консолидации порошков). 2. Метод порошковой металлургии рекомендуется для изготовления изделий простой формы и не содержащих отверстий под углом к оси заготовок, внутренних полостей, выступов и т. д.
Используемые информационные источники 1. 2. 3. 4. 5. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. в. учеб. заведений / В. Б. Арзамасов, А. Н. Волчков, В. А. Головин и др. ; под ред. В. Б. Арзамасова, А. А. Черепахина. – М. : Издательский центр «Академия» , 2007. – 448 с. Рогов, В. А. Современные машиностроительные материалы и заготовки: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / В. А. Рогов, Г. Г. Позняк. – М. : Издательский центр «Академия» , 2008. – 336 с. http: //www. dic. academic. ru http: //www. chemport. ru/ http: //www. s-metall. com. ua/
Скачать презентацию Процессы и операции формообразования СЕМИНАР-8 ФОРМООБРАЗОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
Семинар-8_Порош. мет..ppt