Прессование в стальной прессформе

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (рис.5) возникает сцепление частиц и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и заклинивания - механического сцепления частиц. У пластичных ма­териалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков малой площа­ди под действием огромных напряжений, а затем распространяется вглубь частиц.

Рис.5 Схема прессования в прес- Рис. 6 Кривая идеального процесса

сформе (1 - матрица, 2 - пуансон, уплотнения.

3 - нижний пуансон, 4 - порошек)

и схема распределения давления по высоте.

У хрупких материалов деформация проявляется в разрушении выступов частиц. Кривая процесса уплотнения частиц порошка (рис.6) имеет три характерных участка. Наиболее интен­сивно плотность нарастает на участке А при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. После этого заполнения пустот возникает горизонтальный участок В кривой, связанный с возрастанием давления и практически не изменяющейся плотностью т.е. неизменным объемом порошка. При достижении предела текучести при сжатии порошкового тела начинается деформация частиц и третья стадия процесса уплотнения (участок С). При перемещении частиц порошка в прессформе возникает давление порошка на стенки. Это дав­ление меньше давления со стороны сжимающего порошок пуансона (рис.5) из-за трения между частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами. Величина давле­ния на боковые стенки зависит от трения между частицами и стенкой прессформы и равна 25...40% вертикального давления пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальная величина давления получается неодинаковой: у пуансона наибольшей, а у ниж­ней части — наименьшей (рис.5). По этой причине невозможно получить по высоте отпрессо­ванной заготовки равномерную плотность. Неравномерность плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше минимального поперечного сечения. При прессовании засы­панных в цилиндрическую прессформу одинаковых доз порошка, разделенных прокладками из тонкой фольги получают отдельные слои различной формы и размера (рис.7).

В вертикальном направлении каждый верхний слой оказывается тоньше нижележащего. Изгиб слоев объясняется меньшей скоростью перемещения порошка у стенки из-за трения, чем в центре. Наибольшая плотность получается на расстоянии около 0.2...0.3 наименьшего поперечного размера прессуемого изделия, что связано с действием сил трения между торцом пуансона и порошком.

Рис.7 Схема распределения плотности по вертикальному сечению спрессованного по­рошка при одностороннем приложении давления (сверху).

Для получения более качественных изделий после прессования, получения более равно­мерной плотности по различным сечениям применяют смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту, поливиниловый спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутрен­нее трение и трение на стенках инструмента.

Представленная схема (рис.5) показывает одностороннее прессование, которое приме­няют для прессуемых изделий с соотношением высоты Н к наименьшему размеру поперечного сечения d:H/d = 2-3. Если это соотношение больше 3, но меньше 5, то применяют схему двух­стороннего прессования.

Прессование сложных изделий, т.е. изделий с неодинаковыми размерами в направлении прессования, связано с трудностями обеспечения равномерной плотности спрессованного из­делия в различных сечениях. Эту задачу решают путем применения нескольких пуансонов, че­рез которые прикладывают к порошку различные усилия (рис.8). Иногда при изготовлении изделий сложной формы предварительно прессуют заготовку, а затем придают ей окончательную форму при повторном обжатии - прессовании и спекании.

Рис.8 Схема прессования в прессформе сложного изделия: 1- пуансон,2-пуансон, 3-матрица, 4- нижний пуансон.

При прессовании кроме стальных прессформ - основного инструмента производства используют гидравлические универсальные или механические прессы. Для прессования слож­ных изделий используют специальные многоплунжерные прессовые установки.

Давление прессования зависит в основном от требуемой плотности изделий, вида по­рошка и метода его производства. Давление прессования в этом случае может составлять (3...5) пределов текучести материала порошка.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью прессование называют

гидростатическим. При гидростатическом прессовании порошок засыпают в резиновую обо­лочку и затем помещают ее после вакуумирования и герметизации в сосуд, в котором подни­мают давление до требуемой величины. Из-за практического отсутствия трения между оболоч­кой и порошком спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечени­ям, а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессфор-мах. Перед прессованием порошок подвергают виброуплотнению. Гидростатическим прессова­нием получают цилиндры, трубы, шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прес­сованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изго­товлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси порошка с пластифи­катором путем продавливания ее через отверстие в матрице. В качестве пластификатора при­меняют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины. Схема процесс представлена на рис. 9.

Рис.9 Схема мундштучного прессования.

При прессовании труб в обойме 1 с мундштуком 2 переменного сечения устанавливают иглу-стержень 3, закрепляемую в звездочке 4. Над обоймой находится матрица, соединенная с обоймой гайкой 5. Из матрицы вы­давливание пластифицированной смеси производится пуансоном 7. Допустимое обжатие к=(F-f)/f*100% должно быть более 90%; здесь F и f - площади поперечного сечения матрицы и изделия.

Обычно мундштучное прессование выполняют при подогреве материала изделия и в этом случае обычно не используют пластификатор; порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400 - 600°С, меди - 800 - 900°С, никеля - 1000 - 1200 °С, стали - 1050 - 1250°С. Для преду­преждения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, ва­куум) или прессование в защитных оболочках (стеклянных, графитовых, металлических - мед­ных, латунных, медно-железной фольге). После прессования оболочки удаляют механиче­ским путем или травлением в растворах, инертных спрессованному металлу.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой. Шликер в этом случае - это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц I... 2 мкм (реже до 5... 10 мкм) и жидкости - воды, спирта, четырех- хлористого водорода. Взвесь порошка однородна и устойчива в течение длительного времени. Форму для ликерного литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка. Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в направленном осаждении твер­дых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости). Эти потоки возникают в результате впитывая жидкости в поры гипсовой формы под действием вакуума или центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаска-лей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной и составляет I...60 мин. После удаления изделия из формы его сушат при 110... 150°С на воздухе, в сушильных шкафах.

Плотность изделия достигает 60%, связь частиц обусловлена механическим зацеплением.

Этим способом изготовляют трубы, сосуды и изделия сданной формы.

Динамическое прессование - это процесс прессования с использованием импульсных нагрузок. Процесс имеет ряд преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшает­ся упругая деформация, увеличивается плотность изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Источником энергии являются: взрыв заряда взрыв­чатого вещества, энергия электрического разряда в жидкости, импульсное магнитное поле, сжатый газ, вибрация. В зависимости от источника энергии прессование называют взрыв­ным, электрогидравлическим, электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное выделение тепла в контактных участках частичек, облегчающее процесс их деформирования и обеспечивающее большее уплотнение, чем при статическом (обычном) прессовании. Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в пер­вые 3-30 с. Наиболее эффективно использование вибрации при прессовании порошков непла­стичных и хрупких материалов. С применением виброуплотнения удается получить равно-плотные изделия с отношением высоты к диаметру 4-5:1 и более.

 

Спекание

Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания и других факторов.

В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси по­рошков расплавляются.

Твердофазное спекание. При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду.

Все металлы имеют кристаллическое строение и уже при комнатной температуре со­вершают значительные колебательные движения относительно положения равновесия. С по­вышением температуры энергия и амплитуда атомов увеличивается и при некотором их зна­чение возможен переход атома в новое положение, где его энергия и амплитуда снова увели­чиваются и возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит название диффузии и может совершаться как по поверхности (поверхностная диффузия), так и по объему тела (объемная диффузия). Движение атомов определяется занимаемым им местом. Наименее подвижны атомы расположенные внутри контактных участков частичек порошка, наиболее подвижны атомы расположенные свободно - на выступах и вершинах частиц. Вслед­ствие этого, т.е. большей подвижности атомов свободных участков и меньшей подвижности атомов контактных участков, обусловлен переход значительного количества атомов к контакт­ным участкам. Поэтому происходит расширение контактных участков и округление пустот между частицами без изменения объема при поверхностной диффузии. Сокращение суммарно­го объема пор возможно только при объемной диффузии. При этом происходит изменение геометрических размеров изделия - усадка.

Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема и поэтому различают линейную и объемную усадку. Обычно усадка в направлении прессования больше, чем в поперечном направлении. Движущей силой в процессе усадки при спекании является стремление системы к уменьшению запаса поверхностной энергии. Порошки с развитой по­верхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большим запасом поверхностной энергии.

При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки или в увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных напряжений после прессования, наличие невосстанавливающихся окислов, фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при химических реакциях восстановления окислов газов. Рост объема спе­каемых тел наблюдается при образовании закрытой пористости и объеме пор более 7% (когда расширение газов в закрытых порах вызывает увеличение объема)- Пленки невосстанавли­вающихся окислов тормозят процессы диффузии, препятствуя усадке. На рис. 10 приведена кривая изменения усадки во времени при заданной температуре.

Рис.10. Усадка спрессованного порошка железа при 890°С при различном давлении: 1-400 мн/м2, 2-600 мн/м2, 3-800 мн/м2, 4000 мн/м2.

Рекристаллизация при спекании приводит к росту зерен и уменьшению суммарной по­верхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен ограничен тормозящим влия­нием посторонних включении на поверхностях зерен: порами, пленками, примесями. Раз­личают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную.

Перенос атомов через газовую среду. Это явление наблюдают при испарении вещества и конденсации его на поверхности других частиц, что происходит при определенной темпера­туре. Такой перенос возникает из-за различной упругости паров вещества над этими поверхно­стями, обусловленный их различной кривизной у нескольких соприкасающихся частиц. Пере­нос вещества увеличивает межчастичные связи и прочность сцепления частиц, способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.