Изготовление металлокерамических деталей

16

План

1. Изготовление металлокерамических деталей 3

2. Технология литейного производства. Сущность

производства. Литейные сплавы 9

Литература 16

1. Изготовление металлокерамических деталей

Принципиально новый способ термоциклической обработки металлических и металлокерамических изделий и инструмента разного назначения. Для различных классов стали и твердых сплавов достигнут уровень твердости, прочности и эксплуатационной стойкости, превышающий мировые аналоги.

Сущность способа термоциклического субструктурного упрочнения заключается в направленном изменении состояния фазовых составляющих спеченных твердых сплавов системы ВК, АН, ТК и сталей. Формирующиеся при этом нанокристаллические элементы субструктуры карбидной фазы и связки (кобальтовой, никелевой или железной) фиксируются при стабилизирующей термической обработке (отжиге).

Без изменения химического состава только за счет термического субструктурного упрочнения серийных твердых сплавов и быстрорежущих сталей фактически создан инструмент нового поколения (породоразрушающий и металлообрабатывающий), не имеющий мировых аналогов по стойкости. Стоимость его на 20 - 30% ниже лучших зарубежных образцов.

Приготовление смеси. Процесс приготовления смеси состоит из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной обработки. Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки - воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легкоплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно гранулируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения технологических свойств порошков.

Способы формообразования заготовок и деталей. Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

Холодное прессование. В пресс - форму 2 засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном. В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается силами механического сцепления частиц порошка, электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс - формы. Это является причиной получения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30 - 40%.

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении прессования составляет 0,3 - 0,5% и 0,1 - 0,2 - в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс - форм.

Давление прессования составляет 200-1000 МПа в зависимости от требуемой плотности, размеров, формы прессуемой детали, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет резко (в 50 - 100 раз) уменьшить потребное давление. Рабочие детали пресс - форм изготовляли из высоколегированных, инструментальных сталей и твердых сплавов.

Горячее прессование. При таком прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки с целью получения готовой детали. Горячим прессованием получают детали из твердых сплавов и специальных жаропрочных материалов. Изготовляемые детали характеризуются высокой прочностью, плотностью и однородностью материала. При горячем прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура порошка позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс - форм (4 - 7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

Гидростатическое прессование. Это прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах. Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс - форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры.

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Процесс получения заготовок заключается в выдавливании порошка через комбинированное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор до 10 - 12% от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс - формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с применением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гидравлических и механических прессах.

Прокатка. Этот способ - один из наиболее производительных и перспективных способов переработки металлокерамических материалов. Порошок непрерывно поступает из бункера в зазор между валками. При вращении валков происходит обжатие и вытяжка порошка в ленту или полосу определенной толщины. Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечивающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты из различных металлокерамических материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой изготовляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02 - 3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного профиля, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до нескольких миллиметров.

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порошков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6-0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже температуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания рекомендуется проводить за три этапа: I - нагрев до температуры 150 - 200° С (удаление влаги); II - нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III - окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30 - 90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных значений приводит к увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению прочности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окисления спекают в нейтральных или защитных средах, а для повышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в специальных стальных пресс - формах или продавливанием пруткового материала через калиброванное отверстие. При этом повышается точность и уплотняется поверхностный слой заготовки.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Особенностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработкой также нежелательна, так как в процессе резания масло вытекает из пор и, нагреваясь, дымит.

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза. Для сохранения пористости при обработке необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент.

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования. Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования, или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. Поэтому в их конструкциях нельзя допускать значительной разностенности, которая вызывает коробление и образование трещин.

При незначительной разностенности в процессе прессования получают более равномерную плотность по высоте детали. Длинные тонкостенные конструкции необходимо заменять на равнозначные по эксплуатационным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали. Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

Для свободного удаления заготовки пресс - форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения заготовки, обратная конусность недопустима. Радиусы перехода сопрягающихся поверхностей должны быть не менее 0,2 мм.

2. Технология литейного производства. Сущность литейного производства. Литейные сплавы.

Общие сведения о литейной форме. Отливка получается в результате заполнения полости литейной формы жидким металлом. После заливки жидкий металл охлаждается в форме и затвердевает, образуя отливку.

Последовательность технологического процесса изготовления отливки рассмотрим на примере отливки чугунной втулки 1 (см. приложение 1) По чертежу втулки изготовляют деревянную модель 2.

Модель -- это приспособление для получения в форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. Модели делают из дерева, металла, гипса, пластмассы и других материалов.

Модель втулки состоит из двух половин, которые взаимно центрируются с помощью шипов и гнезд.

Отверстие втулки 1 выполняется стержнем 3. Стержень -- это часть литейной формы. Его изготовляют из стержневой смеси, уплотняемой в ящике 4. После извлечения из ящика стержень подвергают сушке в печи. При сборке формы сухой стержень устанавливают стержневыми знаками в соответствующие гнезда формы, полученные с помощью знаков модели. Длина стержня больше длины полости отливки на величину знаков.

Литейную форму для втулки собирают из двух полуформ: верхней и нижней. Полуформы изготовляют из формовочной смеси, уплотняемой в чугунных или стальных рамках, которые называют опоками.

Изготовление литейной формы втулки. На подопочный щиток устанавливают половину модели, по которой необходимо получить отпечаток в нижней полуформе, а также опоку. Поверхность модели и щитка посыпают или опрыскивают разделительной жидкостью, после чего в опоку насыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Излишек формовочной смеси счищают с поверхности уплотненной полуформы, опоку перевертывают на 180 градусов и устанавливают на подопочный щиток. Затем на нижнюю половину модели устанавливают верхнюю половину модели, на нижнюю опоку - верхнюю. Вновь посыпают поверхность модели разделительным песком, ставят модели литниковой системы, засыпают формовочную смесь в верхнюю опоку и уплотняют ее.

Снимают верхнюю полуформу, извлекают половины моделей, устанавливают стержень и собирают форму. Для сборки формы опоки имеют специальные втулки 10, в которые входят центрирующие штыри. Жидкий металл при заполнении формы давит на стенки формы, в результате чего верхняя опока может подняться, и тогда по плоскости разъема образуется зазор, через который металл может вытекать из формы. Для предупреждения этого верхнюю полуформу крепят к нижней скобе, а иногда ставят на верхнюю опоку груз.

При заливке жидкий металл поступает в полость формы по литниковым каналам. Систему каналов, подводящих металл в форму, называют литниковой. Литниковая система состоит из стояка (вертикального канала), шлакоуловителя и питателя, через который металл поступает в полость формы. К литниковой системе относится также выпор. Выпор служит для выхода из формы воздуха и газов, а также для контроля заполнения формы металлом.

После затвердевания и охлаждения металла форму разрушают и освобождают отливку от формовочной смеси, отрезают литники, и поверхность отливки очищают от формовочной смеси.

Описанную выше литейную форму называют разовой, так как ее используют однократно. Обычно разовые литейные формы изготовляют из формовочных смесей, основной составляющей которых является кварцевый песок. В качестве связующей добавки, придающей прочность смеси, используют глину. Прочность таких смесей относительно невысока, а давление жидкого металла на стенки формы достаточно велико, поэтому формы из песчано - глинистых смесей приходится делать толстостенными. Однако если в качестве связующего использовать специальные материалы, придающие высокую прочность формовочной смеси, то литейную форму можно сделать оболочковой (тонкостенной). Это позволяет резко сократить расход формовочной смеси, а также благодаря ее особым свойствам повысить точность и чистоту поверхности отливок.

В разовых толстостенных формах из песчано - глинистых смесей можно получать отливки весьма сложной конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из различных сплавов как в условиях единичного, так и серийного и массового производства. Это объясняется относительной простотой технологического процесса, дешевизной используемых материалов, достаточной точностью отливок, хорошей чистотой поверхности, возможностями механизации и автоматизации процесса их изготовления.

В литейном производстве применяют также формы, изготовляемые из специальных высокоогнеупорных масс, например на основе графита. В таких формах можно получать до нескольких десятком отливок без существенного износа формы. Эти формы называются полупостоянными. Их применяют при мелкосерийном производстве отливок из чугуна и цветных сплавов (алюминиевых, медных). Для массового и крупносерийного производства стойкость этих форм недостаточна, а для единичного производства высока стоимость их изготовления.

Широкое применение находят металлические формы, называемые также постоянными. В этих формах можно получать от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок из стали, чугуна и цветных сплавов. Отливки могут иметь сложную конфигурацию и массу несколько тонн. Наиболее часто в металлических формах изготовляют отливки малой и средней (до нескольких десятков килограммов) массы из легких цветных сплавов.

Отливки, полученные в металлических формах, имеют чистую поверхность и повышенную точность размеров. Применение постоянных форм позволяет исключить формовочную смесь, улучшить условия труда, механизировать и автоматизировать производство. Однако стоимость металлических форм достаточно высокая, поэтому их применяют в условиях крупносерийного и массового производства отливок.

Технологический процесс изготовления отливок в разовых формах широко распространен в литейном производстве. Он складывается из различных процессов, которые осуществляются в специальных цехах или отделениях литейного цеха.

Технологический процесс изготовления отливки начинается с подготовки модельного комплекта: моделей или модельных плит, модельных щитков, стержневых ящиков, сушильных плит, шаблонов для проверки размеров формы и стержней, кондукторов к шаблонам для контроля правильности установки стержней в форме, опок, штырей и т.д.

Модельный комплект изготовляют в модельном цехе или модельном отделении литейного цеха.

Не менее важным звеном технологической цепи являете подготовка материалов для изготовления литейной формы. Формовочными материалами называют материалы, применяемые для изготовления разовых и полупостоянных форм. Это пески, связующие и специальные добавки. Исходные формовочные материалы хранят на складе формовочных материалов в специальных емкостях и бункерах. При поступлении на склад обязательно проверяют соответствие их качества сертификату. Контроль качества формовочных материалов производят в специальных лабораториях.

Процесс изготовления литейных форм называют формовкой. В литейном производстве используют ручную и машинную формовку: в единичном и мелкосерийном производстве - ручную формовку (формы изготовляют обычно по деревянным моделям), в поточно - массовом и серийном производстве - машинную (формы изготовляют на машинах по металлическим моделям).

Стержни получают с помощью ящиков или шаблонов. Готовые стержни сушат в специальных печах (сушилах) для увеличения их прочности, газопроницаемости, а также уменьшения газотворной способности. Стержни перед установкой в форму окрашивают красками, состоящими из огнеупорных материалов: графита, пылевидного кварца, циркона обезжелезенного и др., что необходимо для повышения чистоты поверхности отливки.

Перед сборкой сырые полуформы припыливают (графитом, тальком, древесным углем и др.) и окрашивают для получения чистой поверхности отливки. Если отливка имеет полость, то в форму перед сборкой устанавливают стержень. Затем форму собирают, скрепляют опоки болтами или скобами и подают на заливку жидким металлом.

В качестве исходных материалов для получения жидкого чугуна и стали используют чушковые литейные и передельные чугуны, чугунный и стальной лом. Брикетированную стружку, ферросплавы, топливо и флюсы. Эти исходные материалы называют шихтовыми. Их хранят на складе шихты, где также производят подготовку исходных материалов к плавке: сортировку, дробление до необходимых размеров, шихтовку -- взвешивание отдельных порций различных материалов в соответствии с расчетом для получения заданного химического состава металла.

Подготовленную шихту специальными транспортными средствами подают в плавильное отделение для приготовления жидкого металла (плавки металла).

Плавильными печами называют агрегаты, предназначенные для расплавления и перегрева черных и цветных металлов и сплавов. Для плавки чугуна применяют специальные печи - вагранки, электропечи и пламенные печи; для плавки стали -- мартеновские печи, конверторы, электропечи, для плавки цветных сплавов -- электропечи и пламенные печи.

Расплавленный металл должен быть перегрет в печи до определенной температуры, чтобы он хорошо заполнял литейную форму. После расплавления и перегрева металл сливают из печи в различные ковши и транспортируют на участок заливки форм. Металл, залитый в форму, отдавая теплоту форме, охлаждается и затвердевает.

После охлаждения отливки формы разрушают (выбивают) и отливки извлекают из форм. Выбивку форм производят только после остывания отливки до определенной температуры, так как при высоких температурах сплавы недостаточно прочны и отливка может разрушиться. Выбивку форм осуществляют на специальных установках, расположенных в отделении или на участке выбивки.

Отливки имеют литники, выпоры, иногда заусенцы и заливы металла, их поверхность может быть загрязнена пригоревшей к ней формовочной смесью. Отрезку или обрубку литников, выпоров, заусенцев, очистку поверхности отливок производят в отделении очистки и обрубки отливок специальным инструментом, на дробеструйных и дробеметных установках, в гидравлических, пескогидравлических и очистных барабанах.

После этого отливки поступают в отдел технического контроля (ОТК). Здесь производят контроль отливок: проверяют их размеры и герметичность, наличие внутренних и внешних дефектов (усадочных раковин, газовых раковин, трещин и т.д.), механические свойства и структуру металла. Отливки, имеющие незначительные дефекты, исправляют различными способами: газовой и электрической заваркой, пропиткой различными смолами, нанесением замазки и др.

Очень часто для получения требуемых структуры и механических свойств, снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке -- нагреву и охлаждению по строго заданным режимам (по времени и температуре) в термических печах. Эта операция производится в термическом отделении литейного цеха. Затем отливки вновь подвергают очистке и контролю.

Принятые ОТК или мастером литейного цеха отливки отправляют на склад готовых изделий, а оттуда на механическую обработку. Некоторые отливки перед отправкой в механический цех окрашивают, чтобы предотвратить коррозию.

При механической обработке отливкам придается окончательная геометрическая форма, требуемые точность и чистота поверхности, предусмотренные чертежами и техническими условиями на готовую деталь. Это наиболее трудоемкий процесс в машиностроении, так как затраты на механическую обработку составляют 40 - 60% затрат на изготовление машины. Следовательно, необходимо стремиться получать отливки с минимальными припусками на механическую обработку или такими точными и чистыми, чтобы не требовалась механическая обработка.

Литература

1. Гуляев А.П. "Металловедение", М.: 1968.

2. Дальский А.М. "Технология конструкционных материалов", М.: 1985.

3. Куманин И.Б. "Литейное производство", М.: 1971.

4. Лахтин Ю.М. "Материаловедение", М.: 1990.

5. Семенов "Ковка и объемная штамповка", М.: 1972.