Пресування порошкових матеріалів

ОСНОВИ ОТРИМАННЯ

ПОРОШКОВИХ ТА КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ 

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальностей напряму підготовки

6.050403 –“Інженерне матеріалознавство”

(Для спеціальності ФТ, ФА)

Ч. ІІ

ПРЕСУВАННЯ, СПІКАННЯ, ТЕХНОЛОГІЯ 

 

 

 

Київ

НТУУ”КПІ”

2010

 

Основи отримання порошкових та композиційних матеріалів: метод. вказівки до викон. лабор. робіт для студ. студентів спеціальностей напряму підготовки 6.050403 –“Інженерне матеріалознавство” (спеціальності ФТ, ФА) / Уклад.: А. М. Степанчук, А. В. Мініцький – К.: НТУУ”КПІ”, 2010.– 108 с.

 

Н а в ч а л ь н е в и д а н н я

Основи отримання порошкових

та композиційних матеріалів

 

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальностей напряму підготовки

6.050403 –“Інженерне матеріалознавство”

(Для спеціальності ФТ, ФА)

 

Укладачі: Степанчук Анатолій Миколайович, проф.

                  Мініцький Анатолій Вячеславович, доц.

Відповідальний

редактор                       П. І. Лобода, д-р техн. наук, проф.

 

Рецензент                   В. Г. Хижняк, д-р техн. наук, проф.

 

За редакцією укладачів

 

Вступ

В методичних вказівках представлено цикл лабораторних робіт з курсу " Основи отримання порошкових та композиційних матеріалів який входить до циклу дисциплін спеціальностей напряму підготовки 6.050403 - "Інженерне матеріалознавство" (спеціальності ФТ, ФА, ФМ).

Структура методичних вказівок складена таким чином, що використову­ючи їх, студент має можливість ознайомитись з основними положеннями те­оретичних основ явищ, що супроводжують той чи інший процес пресування та спікання порошкових виробів, їх аналітичного опису а також технологіч­них процесів отримання порошкових виробів багатофункціонального призна­чення.

В методичних вказівках надаються рекомендації щодо застосування ма­теріалів та обладнання, що дозволяє найбільш повно вивчити процеси пресу­вання, спікання та отримання порошкових виробів згідно з метою лаборатор­ної роботи.

Приведені рекомендації по оформленню експериментальних даних отриманих в роботі, їх обговоренню з використання сучасних уявлень про процеси, що вивчались при виконанні лабораторної роботи.

Згідно методичним вказівкам передбачається, що студент отримує нави­чки по проведенню науково-дослідної роботи, оформленню отриманих ре­зультатів та робити висновки з них.

ПРЕСУВАННЯ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

 

Одержання порошкових матеріалів з певною щільністю, міцністю та іншими заданими властивостями відбувається шляхом зближення та об'єднання окремих структурних елементів (частинок, волокон, гранул, вусів та інш.) Цей процес прийнято називати консолідацією.

Консолідація в порошковій металургії (ПМ) відбувається у два етапи. На першому (пресування, формування) відбувається процес отримання заготівок (пресовок) за рахунок ущільнення дисперсного матеріалу (порошку) під дією тиску або інших факторів, наприклад, вібрації. На другому етапі (спіканні) відбувається подальше ущільнення й зміцнення міжчастинкових контактів за рахунок впливу температури.

Пресування є однією з основних технологічних операцій при виготовленні порошкових та порошкових композиційних матеріалів. При пресуванні порошкове сипуче тіло перетворюється в компактне з формою близькою до кінцевої форми готових виробів та міцністними властивостями, необхідними для подальшої маніпуляції з ним. Пресування, як правило, проводять у прес-формах (рис. 1.1), конструкція яких залежить від форми виробу та співвідношення його розмірів.

Процес ущільнення порошку під дією тиску відбувається у декілька стадій. При вільному засипанні в прес-форму частинки порошку розташовуються хаотично, утворюючи так звані містки і арки з пустотами всередині них. Прикладений тиск сприяє їх руйнуванню з наступним заповненням пустот порошком і, як наслідок, збільшенню щільності порошкового тіла. При подальшому збільшенні тиску відбувається ущільнення порошку завдяки більш щільної укладки частинок за рахунок їх відносного переміщення і заповнення порожнин ними та конгломератами частинок. Цей етап ущільнення називається структурною деформацією порошкового тіла. Ступінь ущільнення на цьому етапі може бути охарактеризований за допомогою координаційного числа, яке згідно уявлень М. І. Щербаня для порошкового тіла може приймати дробні значення і визначене за формулою:

,                          (1.1)

де  – координаційне число; f – пористість пресовки.

                                 а                                 б

1 - ущільнюваний порошок; 2 - верхній пуансон;

3 - пресовка; 4 - матриця; 5 - нижній пуансон

 

Рисунок 1.1 – Схема ущільнення в прес-формах:

а – початковий стан; б – після навантаження

 

При значеннях координаційного числа менших за 4 при пресуванні утворюються нестабільні просторові структури пресовки, які не забезпечуюють необхідні її міцністні властивості. Такі пресовки, після їх вилучення з прес-форми, як правило руйнуються. Координаційне число 4 і більше свідчить про утворення стабільних просторових структур в пресовці, які, як правило, забезпечують необхідну її міцність. Максимальна ступінь ущільнення за рахунок структурної деформації порошкового тіла характеризується координаційним числом 12.

Після укладання частинок до найщільнішої упаковки починається друга стадія ущільнення. Подальше ущільнення порошку неможливе без деформації частинок порошку. Спочатку відбувається їхня пружна деформація, потім напруги, що виникають на границі контакту між частками, дуже швидко перевищують межу пружності й досягають такого значення, коли починається пластична деформація або крихке руйнування. Під час пластичної деформації частинок порошку згладжується та збільшується контактна поверхня, руйнуються оксидні плівки внаслідок чого збільшується механічне зчеплення між частинками і утворюється пресовка з певною міцністю. При подальшому збільшенні контактної поверхні підсилюється вплив адгезії між частинками, з’являється вплив сил Ван-дер-Ваальса та відбувається холодне зварювання. Залежно від властивостей порошків, що складаються із частинок різної величини й форми, процес ущільнення йде по-різному. Механічне зчеплення й холодне зварювання частинок порошку пов'язані з деформаціями зсуву, внаслідок асиметричного прикладення сил. Тому з порошків із частинками неправильної форми легше одержувати міцні пресовки, ніж з порошків більш правильної (округлої) форми.

На цій стадії ущільнення матиме місце тільки при досягненні на контактних ділянках напружень, що перевищують межу текучості (для пластичних матеріалів) і межу міцності (для крихких матеріалів). При досягненні на контактних ділянках напруг, що перевищують межу текучості матеріалу, який ущільнюється, починається їх пластична деформація. Остання супроводжується збільшенням контактної поверхні. При постійному зовнішньому тиску збільшення контактної поверхні супроводжується зменшенням напружень в місцях контакту і, коли вони стають рівними межі текучості, пластична деформація і ущільнення припиняються. Для подальшого ущільнення необхідно підвищувати зовнішні навантаження. Як правило при деформації матеріал зміцнюється, тому подальше збільшення навантаження призводитиме до пластичної деформації матеріалу не безпосередньо в місцях контакту, а в шарах, прилеглих до зміцнених шарів. Коли пластична деформація захопить весь об'єм частинок, подальше ущільнення супроводжуватиметься деформацією зміцненого матеріалу, що також вимагає більших зовнішніх зусиль. У зв'язку з цим темп зростання щільності пресовок із зростанням тиску буде зменшуватись (рис. 1.2, а). Зменшення темпу зростання щільності пресовок із збільшенням тиску зумовлене не тільки зміцненням матеріалу, який ущільнюється, але і збільшенням контактної поверхні, сил зчеплення між частинками, а також явищами, які відмічені раніш (зварювання, схоплювання та інш.), що утрудняє їх взаємне переміщення.

Процес пластичної деформації на кінцевих стадіях другого етапу ущільнення супроводжується видавлюванням матеріалу частинок в пори. При цьому частинки і їх виступи згинаються і переплітаються між собою, що також призводить до збільшення міцності пресовок.

Процес ущільнення крихких порошків (карбідів, боридов, силіцидів, деяких тугоплавких металів) відбувається трохи по іншому. Ущільнення таких порошків під тиском відбувається головним чином за рахунок структурної деформації – відносного переміщення частинок та їх більш щільної укладки. Для крихких порошків ступінь ущільнення змінюється стрибкоподібно     (рис. 1.2, б). При ущільненні порошку до щільності, що відповідає щільності утруски, частинки руйнуються й стають меншого розміру. Тим самим створюються умови для більш щільної їхньої укладки. Цей процес може повторюватися декілька разів.

Реальні залежності щільності пресовки від тиску пресування мають вигляд приведений на рисунку 1.2. Як видно з нього, при ущільненні пластичних матеріалів має місце монотонне збільшення щільності при збільшенні тиску (рис. 1.2, а). При цьому немає різкої межі між стадією структурної та пластичної деформації оскільки вони взаємно накладаються.

 

Рисунок 1.2 – Залежність щільності від тиску пресування при ущільненні пластичних (а) і крихких (б) матеріалів

 

При ущільненні крихких матеріалів може спостерігатись стрибкоподібне зростання щільності пресовки зі збільшенням тиску (рис 1.2, б), що узгоджується з механізмом ущільнення крихких матеріалів розглянутим вище.

Ступінь ущільнення порошків залежить не тільки від твердості матеріалу порошку, його пластичності та здатності до деформації, але й визначається такими характеристиками порошку, як розмір і форма частинок, його гранулометричний склад, стан поверхні з точки зору наявності оксидів і домішок та іншого. Всі ці фактори необхідно враховувати при оптимізації процесу пресування в кожному конкретному випадку.

У разі пресування порошкових сумішей з крихких і пластичних матеріалів характер ущільнення залежатиме від співвідношення матеріалів, характеру розташування частинок і їх розмірів.

Слід враховувати впливи властивостей порошків, які використовуються, на стадії ущільнення. Оскільки частинки реальних порошків найчастіше мають форму, відмінну від сферичної, то при однаковому середньому розмірі частинки можуть відрізнятися питомою поверхнею, яка обумовлюється їх формою, топографією поверхні (гладка, наявність виступів і т. п.). Крім того, поверхня частинок може бути окисненою, з поверхневими домішками.       Що стосується самого матеріалу, то залежно від методу отримання порошку він може мати властивості відмінні від рівноважних. Так, матеріал може мати вищу твердість за рахунок наклепа, розчинення водню і вуглецю і т.п.

Вказані чинники можуть по різному впливати на ступінь ущільнення при різних стадіях пресування. На стадії структурної деформації вищого ступеню ущільнення сприяє простіша форма частинок без виступів на поверхні, що обумовлене меншим міжчастковим тертям, відсутністю зчеплення тощо. Окиснення поверхні сприяє вищому ступеню ущільнення за рахунок структурної деформації. Це обумовлено зменшенням коефіцієнта тертя в парі   в порівнянні з парою , а також зменшенням шорсткості поверхні при її окисненні.

Важливе значення має гранулометричний склад порошків. Наявність в порошку частинок різного розміру може сприяти, за інших рівних умов, отриманню вищої щільності. В цьому випадку вищий ступінь укладання частинок за рахунок структурної деформації відбувається в результаті того, що дрібніші частинки можуть розташовуватися в порах, утворених крупними.

Як наголошувалося раніше, важливе значення має стан матеріалу. Наявність наклепа призводить, за інших рівних умов, до зниження ступеню ущільнення, оскільки для проходження пластичної деформації в цьому випадку необхідно прикладати вищий тиск, ніж для деформації незміцненого матеріалу.

Зрештою вид матеріалу, який ущільнюється, визначає щільність, що максимально досягається, в реальних умовах пресування. При ущільненні пластичних матеріалів досягається вища щільність пресовок, ніж при ущільненні твердих (рис.1.3). Застосування вищого тиску для отримання щільніших заготівок часто стає нераціональним у зв'язку із зниженням стійкості прес-форм і підвищенням витрат на їх зміцнення.

1 – свинець; 2 – срібло; 3 – мідь; 4 – нікель; 5 – молібден

 

Рисунок 1.3 – Залежність відносної щільності пресовок від тиску пресування порошків з різних матеріалів

 

Істотний вплив на ущільнення порошкових матеріалів має їх дисперсність. Зазвичай ступінь ущільнення зменшується із збільшенням дисперсності порошків як для пластичних, так і для твердих порошків, що слід пов'язувати з тертям між частинками. Особливо це має велике значення при ущільненні тонкодисперсних і ультрадисперсних порошків, коли переважний вплив на процес ущільнення має розмір частинок. При цьому ущільнення ультрадисперсного порошку пластичного нікелю відбувається аналогічно тонкодисперсному порошку крихкого нітриду кремнію.