Мундштучное и инжекционное формование порошков

Мундштучное формование порошков – формование металлического порошка путем продавливания его через отверстие. Форма отверстия определяет форму и размеры поперечного сечения изделия. Мундштучным формованием готовят прутки, трубы, сверла, профили и другие длинномерные изделия. Достоинством этого метода является возможность получения изделий с равномерной плотностью.

Продавливать через отверстие (рис. 29, а) можно не только порошок, но и предварительно спрессованную из него заготовку. Уменьшить трение порошка о внутреннюю поверхность матрицы и мундштука можно, нанеся на эти поверхности (или вводя в порошок) смазки или пластификаторы (парафин, раствор каучука в бензине, раствор бакелита в спирте, раствор поливинилового спирта в воде, масла, графит и пр.). Выбор той или иной смазки зависит от свойств материала и ее влияния на процесс спекания изделий. Количество вводимой в состав порошка смазки обычно не превышает 6–10 % (по массе). При производстве изделий с постоянным или изменяемым по высоте сечением внутренней полости (отверстия) в мундштук помещается «звездочка». При формовании изделий с постоянным сечением внутренней полости в звездочку вворачивается игла.

Рис. 29. Схема пресс-формы для мундштучного формования: а – простых изделий; б – изделий (труб, профилей) с постоянным сечением; 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – дер жатель м ундштука; 4 – мундштук; порошок; 5 – порошок; 6 – сформованное изделие; 7 – плунжер пресса; 8 – звездочка; 9 – ввинченная в звездочку игла

Для получения профиля с переменным сечением внутренней полости игла, изготовленная в форме цилиндра с конусообразным завершением, с помощью специального устройства перемещается по оси в направляющих звездочки. В зависимости от того, какой участок подвижной иглы находится в выходном отверстии мундштука, выдавливается изделие с меньшим или большим внутренним отверстием.

При формовании труб и стержней небольшого диаметра и сечения высота мундштука должна быть в 2,5–4 раза больше диаметра его выходного отверстия. Скорость выдавливания материала через мундштук не должна превышать 5–10 мм/с. Более высокие скорости формования приводят к появлению неравномерной пористости изделий.

Давление мундштучного формования при постоянной степени обжатия минимально при выдавливании материала через мундштук с углом конуса 90°. Обычно это давление составляет несколько сотен мегапаскалей. Степень обжатия материала при выдавливании через мундштук должна составлять не менее 90 %.

После формования заготовки, которые формовали с использованием смазок на основе водных растворов, подвергают сушке (конечная влажность должна составлять не более 4–6 %).

Процесс экструзии порошка характеризуется напряжением всестороннего неравномерного сжатия. Под воздействием сжимающих напряжений материал течет в направлении выходного отверстия матрицы, где на свободной поверхности выдавливаемого материала нормальные напряжения равны нулю.

Всестороннее сжатие обеспечивает материалу наиболее высокую пластичность по сравнению с другими процессами обработки металла давлением, однако эта положительная особенность процесса проявляется в условиях крайне неравномерных деформаций и скоростей.

Мундштучное формование без пластификатора возможно, если выдавливать нагретые металлы или сплавы. При относительно низких температурах (до 600 °С) заготовку или порошок обычно нагревают вместе с матрицей. Такие металлы, как бериллий, цирконий, титан, вольфрам при горячей обработке могут интенсивно окисляться. Поэтому при их нагреве и формовании необходимо применять защитные среды.

В некоторых случаях для защиты заготовок или порошков применяют защитные оболочки, которые могут быть стеклянными, графитовыми и металлическими. Металлические оболочки особенно хорошо предохраняют от окисления получаемые заготовки до момента их полного охлаждения и служат одновременно смазками, улучшающими процесс истечения. В зависимости от природы формуемого металлического порошка, оболочки изготавливают из меди, латуни, низкоуглеродистой стали или биметалла в виде медножелезной фольги. После завершения формования оболочки чаще всего удаляют с заготовки механическим путем, хотя возможно также их удаление травлением в растворах, не действующих на порошковый материал.

Инжекционное формование порошков. За последние годы в практике порошковой металлургии все большее распространение находит так называемое инжекционное формование (его также называют «литье под давлением»). В определенной степени этот метод можно рассматривать как разновидность метода литья пластифицированных шликеров.

Преимущества инжекционного формования связаны с возможностью получения заготовок (деталей) сложной формы, с очень точными размерами и высоким качеством поверхности. Методом инжекционного формования обычно изготавливают детали массой от 0,1 до 150 грамм (размеры мелких изделий около 0,75–5 мм).

Порошки для инжекционного формования должны иметь достаточно низкую свободную поверхностную энергию, чтобы хорошо смешиваться со связующим, и одновременно эта энергия должна быть, возможно, более высокой для лучшей спекаемости. Этим требованиям соответствуют сферические порошки (например, карбонильные) с частицами размером до 10 мкм (желательно 1–5 мкм). Обычно содержание твердых частиц в смеси с пластификатором составляет от 40 до 90 % по объему в зависимости от их размера и формы.

Технологическая схема производства изделий методом инжекционного формования включает операции подготовки шихты (смешивания твердой фазы с пластификатором), ее гранулирования, формования изделий, удаления связующего компонента и спекания материала.

Важным этапом является выбор связующего компонента, который может быть твердым, жидким или вязким. При инжекционном формовании могут использовать пластификаторы и термопластичные материалы (полистирол, полиэтилен, акриловую смолу, парафин, стеарин, диэтилфталат, дибутилфталат, эфиры жирных кислот и др.), а также смазки (стеариновую кислоту, стеарат цинка, минеральное масло и др.).

Для проведения инжекционного формования используют, как правило, литьевые машины для производства изделий из пластмасс. Обычно литьевая машина состоит из нескольких основных узлов: инжекционного, прессового, привода и управления. Инжекционный узел включает загрузочный бункер для подачи гранулированного порошка в машину и инжектора (цилиндра с соплом). Гранулы материала из бункера с помощью шнека подаются в нагреваемый инжектор, откуда (после плавления материала) под давлением впрыскиваются в разъемную форму. Формы изготовляют из материала с высокой теплопроводностью (меди, латуни и пр.).

Основное назначение инжекционного узла: пластификация формуемой массы (размягчение и нагревание до требуемой температуры), впрыск (перемещение) пластичной (псевдожидкой) массы в форму под действием развиваемого в гидроцилиндром узла впрыска.

Смесь порошка с термопластичным связующим (иногда ее называют «пластизоль») получают путем плавления гранул материала. Температура нагрева пластифицированной массы зависит от свойств связующего и может достигать 160 °С, но она не должна превышать температуру возгорания.

Плотность получаемых заготовок обычно около 70 % от теоретической. Удаление связующего проводят по технологии, близкой к технологии удаления связки из изделий, полученных литьем термопластичных шликеров. После удаления пластификатора заготовку спекают. В процессе спекания формовка может уплотняться до относительной плотности порядка 96 % (усадка при этом достигает 15–20 %).