Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf

Для прессования порошков используются гидравлические ff механические прессы. Первые имеют наиболее широкое распростра­ нение, так как обеспечивают плавное уплотнение со сравнительно малыми скоростями, высокое давление (25—1000 г), дают возмож­ ность осуществлять выдержку под давлением, применять простей­ шие упоры и т. д. Из механических наиболее распространены кри­ вошипные прессы, мощность которых доходит до 120 т. Они имеют рабочий пуансон, осуществляющий прессование, и два боковых пу­ ансона, выполняющих вспомогательные операции (выброс заготов-

Рис. 289. Гидростатическое (а) и мундштучное (б) прессование

ки и др.). Применяют также кривошипно-коленные, кулачковые и карусельные прессы.

Гидростатическим прессованием получают заготовки простой формы, к точности которых не предъявляются высокие требования. Порошки засыпают в эластичную оболочку и подвергают всесто­ роннему гидростатическому давлению. Прессование осуществляет­ ся в герметичных камерах (рис. 289, а), куда подается рабочая жидкость — масло, вода или глицерин — под давлением 1000— 2000 ати. Источником давления в жидкости может быть электроста­ тический разряд или взрыв.

При гидростатическом прессовании получаются прессовки с почти равномерной плотностью по всему объему. Этим методом прессуют заготовки весом до 300 кг и различной формы (цилиндры, шары, трубы, тигли и др.), а также обрабатывают труднодеформи­ руемые материалы. Например, в свинцовых оболочках под давле­ нием 1300 ати прессуют вольфрамовые трубки.

Формообразование металлических порошков может осущест­ вляться без приложения внешнего давления. Одним из методов та­ кого формообразования является шликерное литье. Сущность его заключается в том, что порошковая шихта суспензируется и жид­ кая пульпа выливается в гипсовую форму (CaS04 • 2НгО), которая адсорбирует жидкость. Подсохшая заготовка извлекается из фор­ мы, проходит окончательную сушку, а затем спекается.

463

Шликерное литье эффективно используется для получения из­ делий из хрупких порошков, различных карбидов, силицидов, нит­ ридов, а также хрома, кремния и др. В качестве жидкости для при­ готовления суспензии применяется вода с небольшими добавками соляной кислоты, хлорного железа, альгината аммония и др. Раз­ мер частиц порошка должен быть не более 5—10 мк. Весовое со­ держание порошков в суспензиях 40—70%- Плотность прессовки, извлекаемой из гипсовой формы, составляет 30—60%- Связь меж­ ду частицами в пей обусловлена механическим зацеплением.

Рис. 290. Прокатка порошков

Мундштучное прессование (рис. 289, б) ведется по двум вари­ антам.

1. В матрице обжимаются и продавливаются через отверстие мундштука смеси из порошков со связками (пластификаторами) — раствором бакелита, парафина и др. Роль пластификатора — свя­ зывание частиц и создание благоприятных условий для истечения формуемой массы через отверстие мундштука.

2. Прессованию подвергаются нагретые заготовки непосредст­ венно из порошков или полученные предварительным прессова­ нием, прессованием и спеканием или горячим прессованием. При этом достигается 100%-ная плотность.

Мундштучным прессованием можно получать из труднопрессуемых порошков изделия большой длины с равномерной плот­ ностью (прутки, трубки, уголки и др.) из таких материалов, как вольфрам, бериллий, торий, уран, цирконий и т. д.

Прокатка металлических порошков как прогрессивная техно­ логия получения металлокерамических материалов в виде лент, полос, проволоки и др. распространена в различных областях тех­ ники. Непрерывность процесса обусловливает высокую производи­ тельность, легкость автоматизации и относительно небольшие уста­ новочные мощности.

Прокатку производят в вертикальном (рис. 290, а), горизон­ тальном (рис. 290, б, в) и наклонном (рис. 290, г) направлениях. Наилучшие условия вовлечения порошка в очаг деформации и формообразования из пего ленты создаются при вертикальной про­ катке. Недостатком этого способа является перегиб на 90° ленты, выходящей из валков, что недопустимо при прокатке хрупких ма­ териалов или высокопористых лент.

464

Прокатка порошков ведется без смазки. Порошки сначала про­ катываются в обжимных валках большого диаметра, затем порис­ тый прокат спекается и поступает в чистовую клеть. Чистовых кле­ тей с промежуточными печами, имеющими восстановительную ат­ мосферу, бывает до пяти.

Толщина лент, прокатываемых непосредственно из порошков, увеличивается с увеличением диаметра валков и уменьшается с уве­ личением скорости прокатки.

§ 5. Спекание металлокерамических изделий

Назначение и сущность процесса. Спекание состоит в нагреве и выдержке прессовок при температурах, составляющих 0,6— 0,8 Тпл основного компонента спекаемой композиции (Гцл — абсо­ лютная температура плавления). Процесс проводится в восстано­ вительной либо нейтральной атмосфере или в вакууме, а иногда в атмосфере воздуха. Обычно он сопровождается некоторым уплот­ нением прессовок, что вызывает их усадку.

Различают два случая спекания — без жидкой фазы и в ее присутствии. В первом случае спекание производится при темпера­ туре ниже температуры плавления любого компонента смеси, во втором — при температуре, превышающей температуру плавления одного или нескольких компонентов или их химических соединений, эвтектик, твердых растворов.

Необходимость спекания обусловлена тем, что только прессо­ ванием невозможно получить изделия с высокими механическими свойствами, так как поверхность частиц порошка покрыта окислами и загрязнениями, которые препятствуют возникновению металли­ ческих контактов, а также из-за упругих свойств металла частиц, приводящих при снятии внешнего давления к уменьшению кон­ тактных участков между частицами.

Спекание обеспечивает получение металлических контактов между частицами порошка и прочности, равной прочности сцепле­ ния кристаллов компактных металлов.

Влияние температуры спекания ңа свойства прессованных из­ делий тесно связано с давлением. прессования: плотность спечен­ ных изделий возрастает с повышением температуры тем быстрее, чем ниже было давление прессования.

При спекании изделий из тонких порошков усадка значитель­ но больше, чем при спекании прессовок из грубых порошков.

Горячее прессование. Этот процесс совмещает прессование и спекание. Благодаря нагреву уплотнение происходит интенсивнее, чем при обычном прессовании и спекании, и прессовки получают­ ся практически беспористыми. Обрабатывают, этим методом труд­ нодеформируемые порошки (бориды, силициды, карбиды и др.).

Горячее прессование производится в защитной или восстанови­ тельной атмосфере, в вакууме, иногда на воздухе давлением значи­ тельно ниже обычного. Приложение нагрузки и уплотнение порош­ ков обычно производятся после их нагрева до требуемой темпера­ туры.

На плотность прессовок влияет температура, при которой сни­ мается нагрузка. Для получения большой плотности рекомендует­ ся снимать нагрузку не сразу, а в процессе охлаждения или после него. При горячем прессовании обычно используется смазка — раствор коллоидного графита в спирте. В связи со сложностью вы­ полнения одновременного нагрева и прессования в восстановитель­ ной или защитной атмосфере этот процесс имеет ограниченное распространение.

Факторы, влияющие на процесс спекания: природа металла, его структура, аллотропические превращения, форма и состояние поверхности частиц порошка, примеси, а также дефекты в кристал­ лических решетках.

Природа металла определяет в основном технологию спекания (температуру, среду, время и т. д.) и прочность изделия.

Влияние фазовых превращений в металле можно проиллюстри­ ровать следующим примером. При 910° у железных порошков про­ исходит превращение Fe-a —»• Fe-y, что приводит к увеличению плот­ ности прессовок.

Увеличение размеров частиц и сглаживание их поверхностей уменьшают усадку и скорость спекания. При температуре спекания, близкой к температуре плавления порошка, уравниваются величи­ ны усадки у изделий из крупных и мелких порошков.

Примеси в большинстве случаев при спекании легко удаляют­ ся, однако они могут тормозить поверхностную диффузию. Выде­

прочность спеченных изделий. Однако это повышение происходит только до толщины пленок окислов 400—-600А. При большей толщи­ не прочность после спекания снижается. Особенно интенсивно про­ исходит повышение прочности брикетов из окисленных порошков при спекании в восстановительной атмосфере. Восстановительная среда химически взаимодействует с окислами, в результате чего по­ вышается активность атомов восстановленного металла.

При спекании в вакууме происходит дегазация металла, что улучшает пластичность поверхностных слоев частиц.

Печи для спекания. Особенностью печей для спекания метал­ локерамических изделий является необходимость специальных, часто взрывоопасных атмосфер. Иногда применяются обычные тер­ мические печи (электропечи), в которые загружаются ящики со спекаемыми прессовками. Требуемая атмосфера внутри ящиков создается применением специальных засыпок. Лучшие результаты получаются при принудительной подаче в ящик-муфель водорода или окиси углерода. Для спекания также используются расплав­ ленные соли и металлы, куда погружаются прессовки. Этот способ пригоден при спекании высокоплотных прессовок, в поры которых не могут проникать расплавленные соли.

В массовом и крупносерийном производстве используются спе­ циальные печи (периодического и непрерывного действия) с тре­

466

буемой атмосферой. Нагревательными элементами в печах служат нихром, силиты (карбиды кремния), силицид молибдена, воль­ фрам, молибден и тантал. Последний в защитной атмосфере мо­ жет работать при температурах до 2400°. Для спекания использу­ ются также индукционные печи.

Дополнительная обработка спеченных изделий. Спеченные из­ делия часто подвергаются дополнительной обработке, целью которой может быть повышение физико-химических свойств, защита поверхности от коррозии, нанесение декоративных покрытий, при­ дание изделиям окончательных размеров и форм.

Повторное прессование с последующим спеканием позволяет повысить плотность, прочность и пластичность изделий. Обычно давление при повторном прессовании близко к давлению при пер­ вичном и часто производится в тех же пресс-формах. Иногда после повторного прессования не производят отжига.

Двукратное прессование при одном и том же давлении с про­ межуточным спеканием вызывает такое же уплотнение прессовки, как однократное прессование под вдвое большим давлением с по­ следующим спеканием.

Пропитка маслом производится для улучшения антифрикци­ онных свойств и придания деталям свойства самосмазывания. Часто в масло вводят коллоидный графит. Пропитка обычно вы­ полняется погружением пористых деталей в масляную ванну, разогретую до температуры 70— 140°. Длительность процесса от 15 мин до 2 ч. Степень заполнения пор маслом составляет 90—95%. Более качественное заполнение пор получается при пропитке в. вакууме. Имеются положительные опыты пропитки в ультразву­ ковом поле.

Терническая и химико-термическая обработка металлокерами­ ческих изделий характеризуется рядом особенностей. Присутствие пор делает детали чувствительными к окислению при нагреве и по­ падании закалочной жидкости в поры. Поэтому нагрев и перенос в закалочную жидкость производятся в защитной атмосфере. Та­ кие условия не обязательны для высокоплотных деталей (4—6 % пористости). Присутствие пор может быть причиной появления за­ калочных трещин.

Железные порошки, полученные электролизом и восстановле­ нием, имеют пониженное содержание марганца и кремния, вслед­ ствие чего их критическая скорость охлаждения при закалке повы­ шается. Кроме того, пористые изделия имеют пониженную тепло­ проводность, 4^0 также затрудняет их закалку.

Изделия из железного порошка часто подвергаются науглеро­ живанию методами химико-термической обработки путем нагрева

ивыдержки в ящике с карбюризаторами или в науглероживающей атмосфере.

Для повышения износостойкости металлокерамических деталей

иуменьшения коэффициента трения применяется сульфидирование (насыщение поверхностного слоя серой) путем реакции между по­

верхностью металла и жидкой серой или соединениями, содержа­