2014-02-02
3510
Инфильтрация порошковых формовок
Инфильтрация – это процесс заполнения пор порошковой формовки расплавленным металлом или сплавом. Сущность метода инфильтрации достаточно проста: из порошка более тугоплавкого компонента формуют пористый каркас, а затем заполняют его пустоты (поры) расплавленным более легкоплавким компонентом (металлом или сплавом). Для улучшения инфильтрации к порошку тугоплавкого компонента перед формованием добавляют небольшое количество (2,5–5,0 %) порошка инфильтруемого (или любого другого легкоплавкого) компонента. Температура инфильтрации должна быть на 100–150 °С выше температуры плавления легкоплавкого металла.
Скорость инфильтрации составляет десятые доли миллиметра в секунду, а толщина слоя зависит от свойств расплава и длительности его контакта с твердым каркасом. Термодинамическое условие инфильтрации – в результате заполнения пор расплавом свободная энергия системы должна уменьшаться. Инфильтрацию из внешних источников ведут по методу наложения или по методу погружения.
По методу наложения пористый каркас из порошка тугоплавкого компонента вместе с помещенным на нем требуемым количеством твердого (для инфильтрации) легкоплавкого металла помещают в печь с защитной атмосферой и нагревают до необходимой температуры (объем легкоплавкого компонента рассчитывают исходя из объема пор каркаса). Образующийся расплав впитывается порами каркаса.
По методу погружения пористый каркас опускают в предварительно расплавленный легкоплавкий компонент. После инфильтрации получаемый композиционный материал практически не содержит пор и легко поддается последующей деформации.
Требования, предъявляемые к механическим и физико-химическим свойствам порошковых изделий, непрерывно возрастают. Повысить соответствующие свойства порошковых материалов можно изменением их структуры, различными видами термической, химико-термической, термомеханической и дисперсионно-упрочняющей обработки, защитой от коррозии и механической обработкой для придания изделиям требуемых размеров и формы.
Под термической обработкой (ТО) понимается совокупность операций нагрева, выдержки при высоких температурах и охлаждения с различной скоростью с целью изменения структуры и обрабатываемости материала, улучшения комбинации его механических и физических свойств.
Обладая большей суммарной поверхностью, пористые изделия при нагревании более склонны к обезуглероживанию, окислению и т.д., поэтому при их обработке необходимо применять либо более быстрый нагрев, при котором за счет меньшего времени теплового воздействия химическое взаимодействие затрагивает меньшие объемы, либо осуществлять нагрев в защитных (нейтральных, восстановительных) атмосферах или в углеродсодержащих засыпках. Наличие в порошковых материалах пор, заполненных газом, существенно снижает тепло- и температуропроводность изделий. В связи с этим при прочих равных условиях их скорости нагрева и охлаждения, а также другие характеристики процессов ТО будут отличаться от аналогичных показателей для беспористых изделий.
Поры, являясь концентраторами напряжений, при резком охлаждении вызывают появление значительных неравномерно распределенных термических и фазовых напряжений, приводящих к изменению структуры материала, а также к появлению трещин.
С увеличением пористости время, необходимое на проведение операций ТО, уменьшается. Дисперсность исходных порошков оказывает такое же влияние, но в меньшей степени, чем пористость.
Термическая обработка порошковых материалов делится на предварительную (различные виды отжига и нормализация) и окончательную (закалка с отпуском). В некоторых случаях отжиг и нормализация могут быть окончательной ТО.
Предварительная обработка проводится как на порошках, так и на сформованных, спеченных и откалиброванных заготовках с целью улучшения их структуры, технологических и механических свойств (снижения твердости, улучшения обрабатываемости резанием, уменьшения и полного снятия остаточных напряжений). Окончательной обработке обычно подвергают готовые изделия с целью улучшения или формирования заданной структуры и придания необходимых свойств.
Для порошковых материалов с гетерогенной или неоднородной структурой важное значение имеет диффузионный отжиг, так как он позволяет обеспечить одинаковые свойства по всему сечению изделия. Закалка порошковых изделий позволяет не только повысить механические свойства, но и улучшить физико-химические свойства: магнитные, антикоррозионные и т.д. Порошковые материалы на основе цветных металлов также могут подвергаться отжигу, закалке и отпуску.
Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в нагреве и выдержке металлов и сплавов при высокой температуре в активных газовых, жидких или твердых средах. Она обеспечивает изменение свойств поверхности порошковых изделий, в том числе ее химического состава, при диффузионном насыщении частиц материала-основы каким-либо легирующим элементом.
При ХТО пористых изделий повышается их твердость, приобретаются специальные свойства, а также на их поверхности может происходить залечивание пор, играющее в ряде случаев большую роль для повышения всего комплекса свойств при сохранении массы и размеров изделий. В случае высокоплотных порошковых материалов можно совмещать ХТО со спеканием или нагревом перед каким-либо видом горячего формообразования.
После некоторых видов ХТО проводят термическую обработку, улучшающую свойства сердцевины и поверхности изделия. В некоторых случаях ХТО предшествует ТО. Распространенными видами химико-термической обработки порошковых материалов являются цементация, азотирование и сульфидирование. Кроме этого, в практике порошковой металлургии используют так называемую диффузионную металлизацию – введение в состав порошкового материала хрома, алюминия, титана и т.д. Нередко ведут насыщение сразу несколькими элементами.
Особенности строения порошковых материалов способствуют интенсификации диффузии. В порошковых изделиях диффузия осуществляется от всей активной (суммарной) поверхности частиц, что существенно уменьшает расстояние, на которое должны переместиться атомы для достижения требуемого результата. Для технологии это означает сокращение времени всего процесса. При достаточно большой временной выдержке и открытой пористости ХТО, изначально предназначенная для поверхностной обработки, может привести к объемному насыщению изделия легирующими элементами.
Поскольку насыщение поверхностного слоя обрабатываемого материала легирующими элементами – процесс диффузионный, то его результаты будут зависеть от температуры, скорости, длительности нагрева, дисперсности исходного порошка (более дисперсные порошки создают в заготовке более мелкие поры, что обеспечивает повышение скорости диффузии, особенно в начальный период насыщения), природы легирующего элемента и др. Глубина диффузионного слоя в порошковых материалах существенно зависит еще и от такой специфической величины, как кривизна насыщаемой поверхности. Наибольшая глубина насыщения наблюдается на выпуклых поверхностях, меньшая – на плоских и особенно на вогнутых.
Структура диффузионных слоев определяется диаграммой состояния основного металла (сплава) и насыщающего элемента. Если в двойной системе растворение диффундирующего элемента в металле-основе не вызывает в процессе насыщения фазовых превращений, то микроструктура слоя после охлаждения мало чем отличается от первоначальной (исходной). Глубину слоя в этом случае можно приблизительно установить по различному травлению частиц (зерен) или более сложными рентгеновскими и электронно-микроскопическими методами.
Состояние и физико-химическая природа насыщающих сред при ХТО оказывают большое влияние на результаты процесса. От их агрегатного состояния зависит глубина и строение слоев. Кроме этого, они не должны быть агрессивными к обрабатываемым материалам и ухудшать механические свойства изделий.
При диффузионном насыщении в формирующемся слое может образоваться пористость, а обрабатываемое изделие, соответственно, может увеличить свои линейные размеры, что часто вызывает коробление. Поэтому необходимо строго контролировать процесс насыщения, обеспечивая его равномерность по всей обрабатываемой поверхности.
Для предотвращения коррозии после ХТО изделия тщательно промывают, а в некоторых случаях подвергают отжигу в защитной атмосфере до полного удаления из пор всех остатков насыщающей среды.
Термомеханическая обработка (ТМО) – эффективный способ повышения комплекса механических свойств порошковых материалов различного назначения, заключающийся в сочетании термической обработки с пластической деформацией. Применяемые схемы ТМО представляют собой варианты трех основных процессов: высокотемпературной (ВТМО), низкотемпературной (НТМО) и предварительной (ПТМО) термомеханической обработки.
Любой вид ТМО участвует в формировании структуры при формообразовании порошковых изделий. При ВТМО деформацию материала с большой степенью обжатия (до 80–90 %) осуществляют прокаткой, экструзией, штамповкой и т.д., совмещая ее с уплотнением порошкового материала или обработкой малопористых материалов. При изготовлении материалов по технологии двойного прессования-спекания второе спекание после допрессовки можно заменить нагревом под горячую деформацию. Проведение горячей штамповки в рамках ВТМО позволяет получить упрочнение изделий, не требующее, как правило, дополнительной механической обработки. Упрочнение, достигаемое при ВТМО, зависит от способа, степени и температуры деформации, длительности последеформационной выдержки, закалочной среды, состава обрабатываемого материала и других факторов. В случае пористых заготовок существенное влияние оказывает размер частиц порошка. Частицы более мелкого порошка деформируются в большей доле объема, что приводит к образованию однородной и мелкозернистой структуры. После ВТМО структура материала более устойчива, а прочность выше, чем непосредственно после закалки.
НТМО в основном применяют только для обработки легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита. Сталь нагревают, затем подстуживают до температуры максимальной устойчивости переохлажденного аустенита и в этом состоянии, при температуре ниже порога рекристаллизации, деформируют с обжатием 30–40 %, после чего немедленно закаливают.
При ПТМО деформация и нагрев под закалку разделены во времени: материал вначале подвергают механической деформации в холодном состоянии, а затем закалке и отпуску. Иногда ПТМО предшествует ВТМО. Холодная пластическая обработка приводит к уплотнению пористой заготовки: при обжатии до 30 % пористость порошковых материалов уменьшается до 4–2 %, а после деформации на 50 % изделия получаются практически беспористыми. ПТМО обеспечивает повышение прочности при некотором снижении пластичности, она наиболее технологична и не требует специального оборудования.
Дисперсионно-упрочняющая термическая обработка (ДУТО) возможна для материалов, компоненты которых при температуре спекания имеют ограниченную взаимную растворимость, уменьшающуюся при снижении температуры в процессе охлаждения после изотермической выдержки. ДУТО складывается из двух этапов: закалка с температур выше линии предельной растворимости компонентов на диаграмме состояния (быстрое охлаждение при закалке в этом случае фиксирует при комнатной температуре пересыщенный неустойчивый твердый раствор); старение сплавов, при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора, полученного в результате закалки, и выделение избыточной фазы в виде очень мелкодисперсных частиц химического соединения или твердого раствора.
Старение сплава приводит к повышению его прочности и твердости, а также снижению пластичности. Максимальное значение твердости и прочности может быть получено только при относительно низкой температуре старения, которая для каждого сплава своя. Повышение температуры старения приводит к коагуляции выделяющихся частиц и падению прочностных свойств до значений, более низких, чем полученные при закалке.
Наличие пористости в порошковых материалах (изделиях) влияет на процесс твердения, который замедляется при ее возрастании. Повторное прессование и спекание заготовок ускоряет процесс твердения в начальный период, но снижает его конечные результаты.
Наличие пор и поровых каналов приводит к увеличению активной поверхности материала, что вызывает развитие коррозионных процессов одновременно на внешней и внутренней (в объеме порошкового тела) поверхностях. С целью защиты поверхности порошковых изделий от коррозии на нее наносят различные химические или электролитические покрытия: химическое никелирование, фосфатирование, электрохимическое никелирование, меднение, цинкование, кадмирование, хромирование и др. Для предотвращения внутренней коррозии из-за попадания в поровые каналы химических растворов, используемых при создании защитного покрытия, пористые порошковые изделия (пористостью > 5–6 %) предварительно пропитывают разными веществами (смолами, битумными лаками, различными химически стойкими веществами). Они образуют на поверхности пор плотные пленки, которые препятствуют действию химически активных растворов (электролитов), обладают достаточной электропроводностью и легко удаляются с поверхности изделия. Одним из лучших материалов для заполнения пор порошкового тела перед покрытием его поверхности защитным слоем является гидрофобная кремнийорганическая жидкость, растворяющаяся в бензине или четыреххлористом углероде. В процессе взаимодействия этой жидкости с поверхностью обрабатываемого материала образуется тонкая полимерная пленка, которая не смывается водой.
Представляют интерес и защитные паротермические пленки, хотя в этом случае надо учитывать сложность получения хорошего сцепления слоя осаждаемого металла с окисленной поверхностью обрабатываемого порошкового материала.
В последние годы для закрытия поверхностных пор расширяется применение так называемых анаэробных (т.е. способных полимеризоваться в отсутствии кислорода воздуха) герметиков. Такие анаэробные материалы используют без отвердителей и растворителей. Они обладают хорошей проникающей и всасывающей способностью. В их состав входят полимеризационно-активное соединение-ингибитор (основа композиции), инициатор и модифицирующие добавки. При попадании в поровые каналы при отсутствии воздуха происходит полимеризация смолы, ее затвердевание и сцепление с металлической поверхностью. Анаэробные герметики в полимеризованном состоянии характеризуются высокой химической стойкостью к агрессивным средам. Заполнение ими пор существенно улучшает некоторые механические свойства порошковых изделий и повышает чистоту обработки их поверхности.
Усложнение формы и повышение точности размеров порошковых заготовок обеспечивается после спекания калиброванием и обработкой резанием. Калибрование представляет собой своеобразное допрессовывание спеченных заготовок. При его проведении происходит пластическая деформация поверхностных слоев обрабатываемой заготовки, которая приобретает требуемые размеры Наружные и внутренние поверхности деталей следует калибровать с разными припусками: наружные – по возможности с большими, а внутренние – с меньшими. Калибрование проводят как в пресс-формах, в которых осуществляли прессование, так и в специальных калибровочных пресс-формах, что предпочтительнее.
Одним из условий применения обработки порошковых заготовок резанием является требование обеспечения точности размеров изделий и шероховатости поверхности (< 40 мкм). Обработку резанием используют для изготовления деталей нецилиндрической или какой-либо усложненной геометрической формы с выточками, каналами, отверстиями (в том числе располагающимися перпендикулярно или под углом к оси прессования), резьбой и т.д. Обработку проводят на токарных, фрезерных, сверлильных и других металлообрабатывающих станках. Любой вид механической обработки порошковых материалов приводит к их упругой и пластической деформации, сопровождается трением и тепловыми явлениями, уплотнением или разрыхлением поверхностного слоя.
Точность и чистота механической обработки порошкового материала зависят от его пористости, химического состава, прочности, твердости и структуры. Наличие в порошковом материале пор сильно затрудняет его обработку резанием, снижает стойкость инструмента, хотя в этом случае усилия резания всегда меньше, чем при обработке литых металлов и сплавов. Затрудненная обработка порошковых материалов связана с нестабильностью резания из-за наличия пор, нарушающих сплошность материала, пониженной теплопроводности (в зоне резания возрастает температура) и повышенной склонности пористых тел к окислению. Для охлаждения порошковых изделий при их обработке резанием применяют масла, эмульсии или инертные газы.
При обработке резанием структура и свойства поверхностных слоев порошковой детали изменяются. Правильно выбранный режим резания позволяет обеспечить на поверхности обрабатываемого изделия требуемые пористость, степень наклепа и уровень остаточных напряжений, а также исключить появление микротрещин и прожогов, предотвратить отслаивание материала.
