Изготовление изделий из порошковых материалов

Процесс изготовления изделий из порошковых композиционных материалов (ПКМ) включает операции изготовления порошков, формования, спекания и окончательной обработки с целью улучшения физико-механических свойств, получения окончательных размеров и формы, нанесения декоративных и защитных покрытий.

Изготовление порошков. Все методы изготовления порошков подразделяют па два способа: физико-механический и химикометаллургический.

Физико-механический способ предполагает превращение исходного материала в порошок за счет механического измельчения материала в твердом или жидком состоянии без изменения его химического состава. К физико-механическим способам относятся дробление, размол, истирание, распыление, грануляция, обработка резанием.

Дробление, размол, истирание наиболее целесообразно применять к хрупким материалам, металлам и их сплавам (кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием). Для грубого размельчения (размер частиц — 1—10 мм) используют дробилки (валковые, конусные, бегунки), для тонкого измельчения — шаровые вращающиеся, вибрационные, планетарные и другие мельницы.

Распыление и грануляция применяются для изготовления порошков металлов температурой плавления до 1600 °C (алюминий, железо, сталь, цинк, медь, свинец, никель и их сплавы). Сущность измельчения состоит в дроблении струи расплава (рис. б. б) высокоэнергонасыщенным газом.

Рис. 6.6. Схема форсунки для распыления В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка применяют распыление воздухом, азотом, аргоном, гелием. Размеры частиц порошка — от 0,01 до 1 мм, форма частиц сферическая или каплевидная.

Химика-металлургический способ предусматривает изменение химического состава или агрегатного состояния исходного материала. К химико-металлургическим способам относятся восстановление оксидов, электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений.

Химико-металлургический метод (восстановление металлов из оксидов или солей) основан на реакции восстановления. В общем виде ее можно записать как.

где Me — металл; А — неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток); X — восстановитель; Q — тепловой эффект реакции.

Восстановителем может быть вещество, которое при выбранной температуре имеет большее химическое сродство к неметаллической составляющей, чем металл. В качестве восстановителя используются водород, оксид углерода, аммиак, природный газ, кокс и т. д.

Сырьем для восстановления медных, никелевых и кобальтовых порошков служат оксид меди (Cu₂0; СиО), оксид никеля (II) (NiO), оксид кобальта (Со₂0₃; Со₃0₄). Восстановление проводят в муфельных печах водородом, диссоциированным аммиаком, природным газом. Температура восстановления: для меди — 400—500°С; для никеля — 700—750°С; для кобальта — 520—570°С. После восстановления получают губку, которая хорошо растирается в порошок.

Сырьем для восстановления вольфрама служат продукт разложения вольфрамовой кислоты H₂W0₄ — вольфрамовый ангидрид или паравольфрамат аммония 5Na₂012W0₃ llII₂0. Восстановление проводят в электропечах водородом (850—900°С) или углеродом (1350—1550°С). Аналогично получают порошки молибдена, титана, циркония, ниобия, стали.

Целью формования является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделия. Формование включает в себя отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и собственно формование.

Отжиг необходим для повышения пластичности и прессуемости порошка, за счет восстановления остаточных оксидов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной (инертной, восстановительной) атмосфере или в вакууме при температуре 0,4 — 0,6Г_ПЛ (Г_пл — температура плавления).

Классификация — сортировка, но размеру осуществляется в ситах (крупные порошки, размером до 50 мкм) или методами воздушной сепарации (более мелкие порошки).

Перед смешением в металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения:

• • пластификаторы (парафин, стеарин и др.), облегчающие процесс прессования;
• • легкоплавкие металлы, улучшающие процесс спекания;
• • летучие вещества для получения деталей заданной пористостью.

Подготовленные порошки смешивают в различных устройствах (шаровые мельницы, вращающиеся барабаны и т. д.) и затем проводят их формование.

Формование заготовок из IIКМ производится методами прессования, изостатического формования, прокаткой или выдавливанием.

Холодное прессование — (рис. 6.7, а) порошок 1 засыпается в пресс-форму 2 и прессуется пуансоном 3. Под действием давления происходит уплотнение порошка и деформация отдельных частиц.

Рис. 6.7. Схемы холодного прессования:

а — одностороннего, одним пуансоном; 6 — одностороннего, набором пуансонов; в — двустороннего; г — кривая процесса упрочнения;

1 — порошок; 2 — пресс-форма; 3 — пуансон; Л, Б. В — участки кривой упрочнения Прочность получаемого брикета зависит от приложенного давления, которое распределяется неравномерно, но высоте брикета из-за возникающих сил трения между стенками пресс-формы и порошком. После одностороннего холодного прессования прочность и пористость по высоте брикета различаются, поэтому одностороннее холодное прессование применяют для заготовок простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы. Заготовки более сложной формы прессуют набором пуансонов (рис. 6.7, б). Для получения заготовок сложной формы применяют двустороннее прессование (рис. 6.7, в), при этом для получения равномерных показателей плотности и прочности давление снижают па 30—40%.

Кривая упрочнения частиц порошка (рис. 6.7, г) имеет три характерных участка:

• 1) на участке Л идет наиболее интенсивное нарастание плотности при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты;
• 2) на участке Б возрастание давления практически нс влияет на плотность;
• 3) на участке В, но достижении предела текучести при сжатии порошкового тела начинается деформация частиц.

При горячем прессовании (с нагревом до 0,6 — 0,8Г_пл) процессы формообразования и спекания заготовки протекают одновременно. Нагрев приводит к интенсификации процессов уплотнения, что позволяет уменьшать давление прессования и получать компактные заготовки с высокими показателями механических свойств и однородностью структуры.

Недостаток горячего прессования — малая стойкость прессформ, которые выдерживают 10—12 прессований и, соответственно, низкая производительность процесса.

При изостатическом (всестороннем) прессовании отсутствуют потери на внешнее трение, а равномерность всестороннего давления позволяет получать требуемую плотность заготовки при давлениях меньших, чем при прессован ии в закрытых пресс-формах.

В промышленности освоены три основных вида изостатического формования: гидростатическое, формование с помощью эластичной оболочки и горячее формование.

При гидростатическом формовании (рис. 6.8) на порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, передается давление с помощью жидкости (вода, масло, глицерин), находящейся в сосуде высокого давления 1.

При формовании брикетов с помощью эластичной оболочки, вставленной в стальную пресс-форму, давление передается через оболочку, которая одновременно изолирует порошок от стенок пресс-формы. Этот способ применяют в основном для получения крупногабаритных заготовок тина труб.

Рис. 6.8. Схема гидростатического формования:

1 — сосуд высокого давления; 2 — эластичная оболочка; 3 — порошок При горячем формовании порошок помещают в эластичную металлическую оболочку, которая нагревается и подвергается давлению. При этом совмещаются процессы формования и спекания.

Прокатка — наиболее производительный способ получения изделий из ПКМ, характеризующийся высокой степенью автоматизации и непрерывностью процесса, позволяющий получать однослойные (рис. 6.9, а) и многослойные (рис. 6.9, б) ленты или полосы, прутки различного профиля и проволоку.

Рис. 6.9. Схема прокатки порошков:

а — для изготовления однослойных полуфабрикатов; б — для изготовления двухслойных полуфабрикатов; 1 — бункер; 2 — порошок; 3 — валки; 4 — лента или полоса; 5 — перегородка В бункер 1 непрерывно поступает порошок 2, который, попадая в зазор между вращающимися валками 3, вытягивается в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс формования может быть совмещен со спеканием при прохождении ленты через печь и последующим обжатием для получения необходимых размеров.

Выдавливание применяют для изготовления труб и профилей различного сечения путем выдавливания порошка через калиброванное отверстие. Перед выдавливанием в порошок добавляют пластификатор (10—12% от массы порошка) для улучшения процесса соединения частиц и уменьшения трения между порошком и стенками пресс-формы.

Для повышения прочности прессованных заготовок проводят спекание при температурах ниже температуры плавления основного порошка композиции. При спекании происходит усиление контакта между отдельными частицами порошка за счет восстановления поверхностных оксидов, диффузии и рекристаллизации. В процессе спекания происходит усадка, и в ряде случаев можно получить заготовки с минимальной пористостью и высоким комплексом физико-механических свойств. Как правило, спекание проводят в электропечах сопротивления или в индукционных печах в восстановительной атмосфере или в вакууме.

Для повышения физико-механических свойств спеченных заготовок часто применяют повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами (для антифрикционных деталей), отжиг, закалку, а также химико-термическую обработку.

Спеченные материалы можно подвергать всем видам обработки давлением (ковка, прокатка, штамповка), что позволяет повысить пластичность материалов за счет уменьшения пористости.

Контрольные вопросы

• 1. Какова температура длительной эксплуатации изделий из композиционных материалов, армированных волокнами бора?
• 2. Что такое войлокование?
• 3. Как получают ориентированные пакеты из жестких волокон?
• 4. Как производится пропитка армирующих компонентов?
• 5. Что такое контактная формовка?
• 6. В чем заключается автоклавная формовка?
• 7. Каким способом получают прорезиненные ткани?
• 8. Что такое вулканизация?
• 9. Как производят механическое размельчение порошков?
• 10. Что такое распыление порошков?
• 11. На чем основан химико-металлургический метод изготовления порошков?
• 12. Какими методами выполняют формование заготовок из ПКМ?