Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

В процессе транспортировки порошков на машиностроительные

предприятия их свойства по различным причинам могут отклоняться

от заданных и поэтому необходимо проводить входной контроль, не

только с целью отправки рекламаций, но и с целью подготовки к

дальнейшим технологическим операциям. Процесс подготовки

включает в себя: сушку при повышенной влажности; отжиг при

появлении окислов; рассев

(классификацию) по фракциям для более

оптимальной плотности при формовании; развес и смешивание для

создания равномерного распределения различных порошков.

Полученные смеси обычно необходимо использовать в течение

нескольких часов.

Для формования прессовок в машиностроении наиболее широко

используется холодное прессование в металлических пресс-формах,

помещаемых в механические или гидравлические прессы. Для

облегчения получения

прессовки в смеси вводят специально

пластификаторы (камфара, парафин, каучук и др.) и применяют

специальные смазки, вводя их в смеси или смазывая пресс-формы

(стеараты различных металлов, стеариновая кислота и др.). Основные

схемы прессования в холодных пресс-формах представлены на рис. 2.

Рис. 2. Основные схемы

получения прессовок в холодных

пресс-формах:

а) – одностороннее

прессование; б) - двустороннее

прессование; в) – двустороннее

прессование с "плавающей" матрицей; г)

– двустороннее прессование с

принудительным перемещением

матрицы.

Технологически процесс получения прессовки достаточно прост:

дозируют порцию смеси, засыпают в пресс-форму, уплотняют до

требуемой плотности, затем прессовку выталкивают из открытой

пресс-формы и укладывают на специальные поддоны для

последующего спекания. Полученные прессовки имеют малую

прочность и поэтому с ними необходимо обращаться достаточно

осторожно.

При простоте самого процесса прессования пресс

-формы имеют

сложную конструкцию с малыми допусками на точность и

шероховатость сопрягаемых деталей, Сложность пресс-форм

определяется группой сложности порошковых изделий по форме.

Таких групп сложности существует семь.

I группа - детали без отверстий с неизменным сечением по

высоте, ограниченные двумя плоскостями, перпендикулярными

направлению прессования.

II группа - детали

с неизменными сечениями по высоте,

ограниченные двумя параллельными плоскостями, с одним или

несколькими отверстиями; отношение высоты h к минимальной

толщине стенки δ

min

менее восьми

. h/δ

min

≤ 8

III группа – то же, что и II группа, но:

h/δ

min

≥ 8

IV группа – детали с наружным или внутренним буртом.

h/δ

min

< 6

V группа – то же, что и IV группа, но:

h/δ

min

≥ 6

VI группа – детали без отверстий, имеющие несколько

переходов в направлении прессования.

VII группа – детали с отверстиями, ограниченные

непараллельными или криволинейными плоскостями, имеющие

несколько внешних и внутренних переходов в направлении

прессования.

Примеры деталей, получаемых в цехе порошковой металлургии

ОАО "Алтайский завод агрегатов", представлены на рис. 3.

После формования прессовки необходимо подвергнуть

спеканию. Спекание обычно производится в специальных печах с

нейтральной или восстановительной атмосферой, либо в вакууме при

температурах, составляющих 70-90% от температуры плавления

основного компонента. В процессе спекания: восстанавливаются и

диссоциируют окисные пленки, удаляются адсорбированные пары и

газы, устраняются дефекты кристаллических решеток металлических

порошков, происходит рекристаллизация частиц порошка,

диффундируют атомы между соседними частицами

, способствуя

созданию металлических связей и многое другое. Критериями

спекаемости могут быть характеристики прочности, пластичности,

вязкости, пористости, износостойкости и т.д.

а) б) в)

г) д)

Рис. 3. Форма деталей, получаемых

методом порошковой металлургии:

а, б - втулки: в – упор неподвижный:

г – диск фрикционный: д – шестерня:

е - сателлит

е)

Основные этапы процесса спекания: подготовка, загрузка,

нагрев, выдержка

и последующее охлаждение. Следует обратить

внимание на процесс нагрева. Для порошковых изделий характерен

невысокий коэффициент теплопередачи и поэтому возникает

опасность возникновения большого градиента напряжений между

поверхностью и сердцевиной прессовки, в ряде случаев приводящий

к возникновению трещин. Поэтому нагрев прессовок производят с

меньшей скоростью, чем компактных изделий. Охлаждение после

спекания в ряде случаев производят со скоростью

выше критической,

т.е. проводят закалку изделия с температуры спекания.

После спекание ряд изделий используется сразу, но зачастую

применяют дополнительную обработку с целью стабилизации

размеров, введения в поры смази, изменения механических свойств

как в объеме детали, так и на поверхности, и многое другое.

Холодное прессование с последующим спеканием позволяет

получать

изделия с минимальной пористостью 10-15%. Для

получения изделий с меньшей пористостью в машиностроении

применяют в основном либо горячее прессование в закрытых пресс-

формах (ГП), либо динамическое горячее прессование (ДГП).

Горячее прессование представляет собой технологическую

операцию, в которой совмещаются процессы прессования и спекания,

т.е. в процессе прессования прессовка вместе с пресс-формой

нагревается до Т=0,5…0,8Т

пл

порошковой смеси. При сравнительно

малых давлениях получаются практически беспористые изделия с

болеевсокими прочностью и пластичностью, повышенными

твердостью, электро- и теплопроводностью и более точными

размерами. Структура изделий после горячего прессования более

мелкозернистая и однородная. По комплексу свойств изделия нередко

превосходят литые и кованые. При горячем прессования уменьшается

усилие для достижения пластической

деформации и в динамике

растет коэффициент диффузии, что значительно уменьшает время

спекания. Нагрев при горячем прессовании необходимо проводить

быстро и поэтому применяются либо нагрев токами высокой частоты

(ТВЧ), либо нагрев путем прямого включения пресс-формы в

электрическую сеть, используя ее в качестве нагревательного

элемента сопротивления. Естественно такой нагрев предъявляет

повышенные

требования к материалам пресс-форм: они дорогостоящи

и служат меньшее время, чем холодные прес-формы.

ДГП (Горячая ковка и штамповка) является разновидностью

горячего прессования в закрытых пресс-формах и представляет

последовательность следующих операций: предварительное холодное

прессование, спекание в защитной среде до пористости 25-30%,

нагрев изделия ТВЧ, установка в горячем состоянии в пресс-форму,

ДГП (ковка или штамповка), выбивка из пресс-формы, охлаждение с

необходимой скоростью. Оптимальная температура ДГП

углеродистых сталей – 900…1100

С.

Для улучшения физико-механических свойств порошковых

изделий, как было отмечено ранее, применяются операции

дополнительной обработки, самыми эффективными из которых

являются термическая, химико-термическая и термомеханическая

обработки. Так, высокотемпературная термомеханическая обработка

(ВТМО) углеродистых порошковых сталей позволяет получить детали

с прочностью 1800 МПа, а для низколегированных порошковых

сталей этот метод повышает уровень

прочности до1900-2000 МПа.

Существуют и другие методы, но рассмотрение их не является

предметом рассмотрения в настоящем пособии.

1.2. Порошковые конструкционные материалы

1.2.1. Стали

Для выбора конструкционных порошковых сталей

руководствуются следующими принципами:

- структура, в том числе и пористость, должна быть равновесной

по распределению компонентов, термически стабильной для данных

условий и обеспечивать заданный уровень физико-механических

свойств, безотказную работу изделий в течение всего периода

эксплуатации;

- технологический процесс получения изделий должен

обеспечивать надежный

контакт спекшихся частиц по поверхности

раздела;

- малонагруженные детали нецелесообразно изготовлять из

легированных порошков, если это не обусловлено необходимостью

придать им специальные свойства, и подвергать их термообработке;

- плотность изделий следует выбирать в соответствии с уровнем

действующих удельных нагрузок, определяющих степень

нагруженности деталей;

- умеренно нагруженные порошковые детали целесообразно

изготавливать из порошков углеродистых или низколегированных

сталей, средненагруженные – из порошков углеродистых и

легированных сталей, тяжело нагруженные детали необходимо

изготовлять из гомогенных порошков легированных сталей и сплавов;

- порошковые изделия с заданными структурно-

нечувствительными свойствами (коэффициентом термического

расширения, термоэдс, температурой плавления) можно изготовлять

пористыми, значение пористости

определяется уровнем действующих

удельных нагрузок.

Наиболее распространенными видами порошковых изделий

являются конструкционные детали вплоть до сильнонагруженных на

основе порошка железа, а в ряде случаев порошков цветных металлов,

а также различных сплавов. Типовыми деталями являются шестерни,

кулачки, звездочки, храповики, гайки, крышки, седла и корпуса

клапанов, диски и роторы насосов, муфты, кольца, ограничители

детали мерительных инструментов и другие детали сложной

конфигурации. Детали, как правило, выпускаются в виде готовых

изделий или в виде изделий, требующих незначительной

дополнительной обработки.

В зависимости от условий эксплуатации конструкционные

порошковые стали делят на две группы [4]: общего назначения и со

специальными свойствами. Изменяя пористость конструкционных

порошковых сталей, при прочих равных

условиях можно в широких

пределах управлять их физико-механическими свойствами и изменять

степень нагруженности деталей от мало- до тяжелонагруженных

(табл. 2).

Марки, химический состав, некоторые механические свойства,

микроструктуру и методы дополнительной обработки порошковых

конструкционных сталей регламентирует ГОСТ 28378-89 [5].

Стандарт устанавливает марки малоуглеродистых, углеродистых,

медистых, никельмолибденовых, хромистых, марганцовистых,

хромникельмарганцовистых и нержавеющих сталей.

Таблица 2

Характеристика порошковых конструкционных сталей

и изделий из них

Группа деталей

по степени

нагруженности

Группа

плот-

ности

Порис-

тость,

, % от σ

беспористых

сталей

δ и KCU,

% от бесп.

сталей

Малонагруженные

Умереннонагружен-

ные

Средненагруженные

Тяжелонагруженные

25-16

15-10

9-2

≤ 2

30-46

45-65

65-95

96-100

25-35

35-60

60-90

90-100

Химический состав, свойства после спекания и микроструктура

некоторых сталей представлены в таблицах 3,4,5 и на рис. 4

соответственно. В таблицах приведены данные по сталям,

позволяющие провести сравнение по свойствам и структуре при

увеличении количества углерода и некоторых легирующих элементов

в сталях. Для получения более полных данных необходимо

обращаться в ГОСТ 28378-89 [5].

Однако, к

сожалению, ГОСТ 28378-89 не приводит данных по

режимам термической обработки порошковых конструкционных

сталей и получаемым при этом свойствам.

Условное обозначение марок состоит из букв и цифр. Буквы

указывают: П - на принадлежность стали к порошковой, К - на

назначение стали - конструкционная, остальные буквы на содержание

легирующих элементов ( Д - медь, Х - хром, Ф

- фосфор, К - сера, М -

молибден, Г - марганец, Т - титан, Н -никель). Основу стали - железо

в обозначении марок не указывают.

Таблица 3

Марки и химический состав (% по массе) некоторых порошковых

конструкционных сталей на основе железа.

Марки сталей

С Сu Ni Mo Cr Mn

Стали малоуглеродистые, углеродистые и медистые

ПК10

ПК40

ПК70

ПК40Д3

ПК70Д3

≤0,30

0,31-0,60

0,61-0,90

0,31-0,60

0,61-0,90

1-4

Никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые

ПК10Н2М

ПК40Н2Д2

ПК40Н4Д2М

≤0,30

0,31-0,60

1-3

3-5

0,3-0,7

Хромистые, марганцовистые, хромникельмарганцовистые

ПК70Х3

ПКХ6

ПК40Г2

ПК40ХН2Г

0,61-0,90

0,91-1,20

0,31-0,60

1-3

2-4

5-7

0,5-1,5

1-3

0,5-1,5

Нержавеющие

ПК20Х13

ПК40Х13М2

ПК10Х18Н9Т

0,10-0,30

0,30-0,50

≤0,10

8-10

1-3

12-14

17-19

Примечание: содержание других элементов в сталях допускается

суммарно не более 2%;

*- содержание титана