Формообразование заготовок и изделий из порошков

Получение неметаллических порошков

При получении порошков физико-химическими мето­дами происходят изменения химического состава и свойств исходного материала. Основными физико-хими­ческими методами являются химическое восстановление металлов из окислов, электролиз расплавленных солей, карбонильный метод и метод гидрогенизации.

Химический состав порошков характеризуется содер­жанием основного металла и содержанием примесей. Основной металл обычно составляет 94—39%, осталь­ное—примеси, которые, как правило, ухудшают качество порошка. Наиболее вредными примесями являются трудновосстанавливаемые окислы алюминия и кремния, которые затрудняют процесс формообразования и резко снижают пластические свойства порошка. В металличе­ских порошках также содержится значительное количе­ство кислорода, водорода, окиси углерода, азота, ухуд­шающих прессуемость и качество изделий. Для получе­ния изделий с высокими механическими свойствами по­рошок дегазируют в вакууме. Порошки, полученные физико-химическими методами, являются наиболее чи­стыми и тонкодисперсными. Физические свойства по­рошков характеризуются формой частиц, удельной по­верхностью, микротвердостыо и гранулометрическим составом. В зависимости от размера частиц металличе­ские порошки классифицируют на ультратонкие (до 0,5 мкм), очень тонкие (0,5—10 мкм), тонкие (10— 40 мкм), средней тонкости (40—150 мкм) и крупные (150—500 мкм).

К технологическим свойствам порошков относятся ха­рактеристики насыпной массы, текучести, прессуемости и формуемости.

Для приготовления шихты дозированные порции- по­рошков определенного химического и гранулометрическо­го состава и технологических свойств смешивают в ба­рабанах, мельницах и других смешивающих устройст­вах. При необходимости особо тщательного и равномер­ного перемешивания шихты применяют добавки спирта, бензина, глицерина и дистиллированной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присад­ки различного назначения: пластификаторы, облегчаю­щие прессование (парафин, стеарин, глицерин и др.), легкоплавкие присадки, летучие вещества, позволяющие получать изделия с заданной пористостью.

Формообразование заготовок изделий осуществляют прессованием (холодное, горячее, мундштучное, гидро­статическое), прокаткой и суспензионным (шликерным) литьем.

При холодном прессовании в матрицу прессформы засыпают приготовленную шихту и затем пуансоном производят прессование. После снятия давления изде­лие выпрессовывают из матрицы пуансоном, при этом матрицу устанавливают на подкладное кольцо. В про­цессе прессования частицы порошка подвергаются упру­гой и пластической деформациям, резко увеличивается контакт между частицами порошка и уменьшается по­ристость, что дает возможность получить заготовку нуж­ной формы и достаточной прочности.

Прессование производят на гидравлических или ме­ханических прессах. Давление прессования составляет 1,5—8 тс/см² в зависимости от состава порошка и на­значения изделия. Наиболее широко применяют гидрав­лические прессы, так как они обеспечивают достаточно высокое давление и плавное уплотнение шихты при сравнительно малых скоростях движения пуансона. С увеличением скорости движения пуансона плотность изделия уменьшается. Давление прессования может быть снижено при использовании вибрационного прес­сования или прессования в вакууме. Рабочие поверхно­сти прессформ шлифуют или полируют.

В зависимости от сложности и конфигурации изде­лия применяют разъемные и неразъемные прессформы с односторонним или двусторонним прессованием. Од­ностороннее прессование (рис. 31) применяют для из­делий простой изометричной формы. В этом случае обеспечивается равно­мерная плотность изделия по всему сечению, можно получать заготовки диаметром и высотой до 60 мм. При прессовании изделий большей высоты применяют двустороннее прессование (рис. 32), обеспечивающее равномерную плотность прессуе­мого изделия и снижение давления прессования на 30— 40% по сравнению с односторонним прессованием.

При горячем прессовании в прессформе изделие не только формуется, но и подвергается спеканию, что поз­воляет получать беспористый материал с высокими фи­зико-механическими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или восста­новительной атмосфере, в широком интервале темпера­тур (1200—1800° С) и при более низких давлениях, чем холодное прессование. Приложение давления обычно производится после нагрева порошков до требуемой тем­пературы.

Рис. 31. Разъемная (а) и неразъемная (б) прессформы для одностороннего прессования: 1 — матрица; 2 — пуансон; 3— обойма; 4— подкладка; 5—нижний пуансон; 6 — заготовка

Этим методом получают изделия из трудно деформируемых материалов (боридов, карбидов и др.). Гидростатическое прессование (рис. 33) основано на равномерном всестороннем обжатии исходного по­рошка, заключенного в резиновую или металлическую пластичную оболочку, под давлением жидкости (масла, эмульсии, воды и др.). Источником внешнего давления в жидкости может быть электростатический разряд или взрыв. Методом гидростатического прессования можно получать изделия равномерной плотности, простой формы (трубы, цилиндры, шары и др.) и значительных га­баритов.

Рис. 32. Двустороннее прессование: а-начало; б - конец; в - выпрессовка; 1-матрица; 2— верхний пуансон; 3 —нижний пуансон; 4— заготовка

Рис. 33. Схема гидро­статического прессова­ния:

1 — герметизированный цилиндр; 2 — оболочка; 3 — порошок

Рис. 34. Схема мундштучного прессования: 1 — герметизированный

цилиндр; 2 — оболочка; 3 — порошок

При мундштучном прессовании смесь порошка с пла­стификаторами выдавливается через мундштук матри­цы (рис. 34). Пластификаторами служат растворы па­рафина, бакелита и др. в количестве 6—12%. Мунд­штучным прессованием получают изделия большой дли­ны и равномерной плотности из труднопрессуемых по­рошков вольфрама, бериллия, урана, циркония и др.

Прокатка металлических порошков является непре­рывным процессом получения изделий в виде лент, про­волоки, полос путем деформирования в холодном или горячем состоянии. Прокатку производят в вертикаль­ном, наклонном и горизонтальном направлениях. Наи­лучшие условия формообразования изделия создаются при вертикальной прокатке (рис. 35). Сначала поро­шок из бункера поступает в зазор между вращающими­ся обжимными валками и прессуется в заготовку, кото­рая направляется в печь для спекания, а затем прокаты­вается в чистовых валках. Прокаткой можно получать однослойные и многослойные изделия. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации.

Рис 35. Схема прокатки порошков: 1 — бункер с порошком; 2 — валки; 3 — лента

Суспензионное (шликерное) литье применяют для по­лучения тонкостенных изделий сложной формы с внутренни­ми полостями, которые не мо­гут быть получены другими методами. Специальную вод­ную суспензию с содержанием 40—70% порошка (шликер) с размерами частиц не более 5—10 мкм заливают в пори­стую гипсовую или керамичес­кую форму. Суспензионная жидкость впитывается пори­стыми стенками формы, а по­рошок осаждается на стенках, образуя тонкостенную заготовку. Связь частиц порош­ка в изделии обеспечивается их механическим сцепле­нием. После сушки заготовку извлекают, предварительно разрушив форму. Шликер на поверхность формы может также наноситься напылением, разбрызгиванием и дру­гими способами. Шликерное литье обычно используют для получения изделий из хрупких и твердых порошков различных карбидов, силицидов, нитридов и др.

Изделия, полученные вышеперечисленными метода­ми, не обладают необходимой прочностью вследствие присутствия на поверхности частиц порошков окислов и других загрязнений. Для придания изделиям необходи­мой прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изде­лий при температуре примерно равной 0,6—0,9 абсо­лютной температуры плавления основного компонента, при средней длительности выдержки 1—2 ч. Спекание производят в электрических печах сопротивления, ин­дукционным нагревом или путем непосредственного про­пускания тока через спекаемое изделие. Для предотвра­щения окисления металлических порошков спекание ве­дут в аргоне, гелии, в вакууме или в среде водорода. Для придания изделиям окончательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания могут подвер­гаться термической и химико-термической обработкам, обработке резанием и размерной обработке физико-хи­мическими методами.