Строение и свойства металлов

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

Цементация - процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цементация придает поверхностному слою высокую твердость- и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках - шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др.

Азотирование- процесс химико- термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому устойчивости против коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется до выслких температур 400 - 600 0С, тогда как твердость цементированного слоя с мартенситовой структурой сохраняющейся лишь до 200 - 250о С.

Нитроцементация - процесс химико- термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в газовой среде.

Цианирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN.

Борирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в борсодержащей среде (бура, треххлористый бор и др.).

Алитирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 6,1 - 0,2 % С алюминием.

Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом.

Поверхностное упрочнение стали.

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, упрочнение пластическим деформированием и рассмотренная выше химико-термическая обработка.

Основное назначение поверхностной закалки - повышение твердости, износостойкости и предела выносливости разнообразных деталей. Сердцевина детали после поверхностной закалки остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. В промышленности применяют следующие способы поверхностной закалки: газопламенную закалку; закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); закалку в электролите. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки с последующим быстрым охлаждением для получения мартенсита.

Закалка и отпуск

Закалка. Это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки- повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.

Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоуглеродистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.

Скорость нагрева и продолжительность выдержки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно время нагрева в электрических печах принимают 1,5-2 мин на 1 мм сечения изделия.

Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны.

Средой, в которой нагревают сталь, являются, в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах - ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.

Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка).Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаждающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап - этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.

Закалка ТВЧ

Закалка токами высокой частоты по методу В.П. Володина очень широко применяется в промышленности, т.к. отличается высокой производительностью, легкостью автоматизации, обеспечивает получение мелкозернистой структуры, более высокой твердости и прочности, чем при закалке с нагревом в печи. Закаливаемая деталь помещается в индуктор, по которому пропускается ток высокой частоты. Ток поступает через трансформатор от машинного генератора, приводимого во вращение электродвигателем. Возбуждаемый при этом ток в детали имеет наибольшую плотность у поверхности и быстро нагревает поверхностный слой детали. Нагретая деталь охлаждается при обрызгивании водой через отверстия на внутренней поверхности индуктора или через отверстия спрейера.

Для улучшения коэффициента мощности высокочастотной установки включены конденсаторы.

Регулируя мощность тока и время выдержки, можно регулировать нагрев на толщину от долей миллиметра до десятков миллиметров.

Машинные генераторы с частотой тока до 10 000 Гц обычно применяют для закалки на глубину больше 2 мм. При закалки на глубину меньше 2 мм применяют высокочастотные ламповые генераторы, создающие ток очень высокой частоты, который можно изменять в зависимости от особенностей закаливаемых деталей.



Рис. 6 - Коленчатый вал, закаленный ТВЧ: 1 - низкая сердцевина вала, 2 - закаленная шейка, 3 - закаленная галтель

4. Сплавы цветных металлов

Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.

Медь и ее сплавы

Медь в чистом виде характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах - иные элементы.

Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А - алюминий, Н - никель, О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, Ф - фосфор, Т - титан.

Латуни и Бронзы

Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие - легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное - цинк.

Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.

Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии.

Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л - для изготовления литых деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.

Особое место занимает при изготовлении упругих элементов из-за высокой прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.

Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.

Алюминий

Чистый алюминий применяется редко, так как имеет низкую прочность. Чаще при изготовлении деталей применяют сплавы на основе алюминия. Они обладают малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.

Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью закалки и старения алюминиево-медно-магниевые и алюминиево-магниевые сплавы. Первые называют дуралюминами (марки Д1, Д16), из вторых наиболее часто применяется сплав марки АМг6. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав В95, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).

Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности уut и текучести уу). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al2O3, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации - прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al2O3 (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 - 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4). Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.

Из литейных алюминиевых сплавов наибольше распространение получили сплавы алюминия с кремнием - силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.

Алюминий и его сплавы трудно паяются.

Баббиты.

В оловянистом баббите марки Б - 83 пластичной основой является твердый раствор б - сурьмы и меди в олове, а твердыми частицами - соединения олова (Sn) с сурьмой (Sb) и меди (Cu3) c оловом (Sn).

Баббиты марки Б - 83 применяются для заливки подшипников особо нагруженных машин. Оловянные баббиты дороги, поэтому по возможности их заменяют баббитами, состоящими преимущественно из свинца (например, баббит марки Б16).

В свинцовых баббитах с сурьмой Б16 твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu3Sn, рассеянные в мягкой основе - растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по качеству оловянным, однако с успехом применяются для подшипников средней нагруженности (например, для подшипников тракторных и автомобильных моторов)

5. Порошковая металлургия

Технологические процессы порошковой металлургии нашли применение при производстве различных металлоизделий, которые известными традиционными способами изготовить было невозможно. Это твердые сплавы, пористые металлические подшипники и фильтры, фрикционные и антифрикционные материалы. Технологические процессы порошковой металлургии позволяют максимально эффективно использовать материалы, получать композиционные материалы с уникальными свойствами.

Сущность технологического процесса изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией заключается в том, что металлы, сплавы или химические соединения металлов превращают в порошки или гранулы различной фракции. Затем их смешивают в определенной пропорции, прессуют в пресс-формах, извлекают спрессованную заготовку и в специальных печах в условиях инертной среды или вакуума спекают в течении определенного времени и получают достаточно прочное соединение порошков или гранул в виде соответствующей формы полуфабриката или уже готового изделия. Часто для придания прессованным и спеченным порошковым заготовкам определенных свойств проводят дополнительную термообработку или пластическую деформацию, а затем обрабатывают резанием.

В машиностроительной и инструментальной промышленности порошковой металлургией изготавливают твердосплавные инструменты, подшипники, зубчатые колеса, направляющие втулки, тормозные колодки и т.д. Важным преимуществом порошковой технологии является возможность изготавливать металлоизделия практически без отходов.

Технологические процессы порошковой металлургии включают следующие операции.

1. Приготовление шихты и дозировка. Сначала порошки очищают химическим, гидромеханическим или магнитными способами, затем измельчают в шаровых мельницах. Шихту разделяют на фракции путём просеивания через набор сит, а при величине зерна менее 50 мкм применяют воздушную сортировку. Подготовленные порошки смешивают и дозируют по массе или объёму.

2. Формование в стальных прессформах применяют для мелких деталей. Для изготовления крупных изделий из тугоплавких металлов (труб, стержней) применяют гидростатическое прессование. Для получения листов, полос и лент применяют прокатку. На обычных же прессах возможно прессование только простых по форме деталей. Специальные прессы применяются для изготовления сложных изделий; они имеют до 4-6 независимых рабочих перемещений.

3. Механическая доработка применяется для небольшого круга материалов, имеющих сравнительно высокую прочность после формования. Механическая доработка позволяет получить на изделии сложные фасонные элементы, невозможные для прессования (резьба).

4. Спекание обеспечивает сцепление частиц порошка вследствие диффузии атомов. При правильном выполнении этого процесса частицы порошка «спаиваются» (слипаются) настолько прочно, что как бы перестают существовать самостоятельно. Спекание производят при температуре примерно равной (0,65-0,79) tпл основного компонента сплава в водородных или вакуумных печах для защиты от окисления.

5. Горячее прессование заключается в одновременном прессовании и спекании, что сокращает время операции в 20-30 раз. Оно выполняется при меньшей температуре. Но недостатком этого процесса является низкая стойкость дорогих прессформ. Например, графитовые прессформы выдерживают 3-5 прессовок при температуре 1500°С.

6. Калибрование. При обычном процессе порошковой металлургии можно получить детали сравнительно невысокой точности 10-12 кв и шероховатостью RZ=20-10 мкм. Для повышения точности таких деталей выполняют калибрование в специальных прессформах (точных!) при удельном давлении до 100кПа и при условии достаточной пластичности материала. При этом точность размеров повышается до 8-9кв (нормально) и RA 2,5-6,3мкм.

Каждая из указанных операций вносит свой важный вклад в формирование всех свойств конечных порошковых изделий.

Порошки, используемые в порошковой металлургии, состоят из частиц размером 0,01-500 мкм. Получают порошки металлов (или их соединений) механическим и физико-химическим методами. К основным механическим методам получения порошков относятся:

1. Дробление и размол твердых материалов. Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, к.п.д. которых сравнительно невелик. Получают порошки Fe, Cu, Mn, латуни, бронзы, хрома, алюминия, сталей.

2. Диспергирование расплава. Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа или жидкости). Получают порошки алюминия, свинца, цинка, бронзы, латуни, железа, чугуна, стали.

3. Грануляция расплава. Порошок образуется при сливании расплавленного металла в жидкость (например, в воду). Получают крупные порошки железа, меди, свинца, олова, цинка.

4. Обработка твердых (компактных) металлов резанием.

При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки. Получают порошки стали, латуни, бронзы, магния.

Твердые тела измельчают в мельницах с мелющими телами (барабанные вращающиеся, вибрационные, планетарные мельницы), ударного действия (вихревые, струйные, центробежные) и с вращающимися частями (аттриторы, дисковые, кавитационные, молотковые, роторные). При измельчении в мельницах хрупких материалов частицы порошка имеют осколочную форму, при измельчении пластичных материалов - чешуйчатую.

Рис. 7 - Схема барабанно-шаровой мельницы: 1 - барабан; 2 - броневые плиты; 3 - изоляция (от шума и тепловая); 4 - торцовый фланец мельницы; 5 - входной патрубок; 6 - выходной патрубок; 7 - ведомая шестерня; 8 - шары

Другим распространенным методом получения порошков является диспергирование расплавов.

Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим способом позволяет получать порошки, называемые распыленными. Процесс характеризуется высокими производительностью, технологичностью, степенью автоматизации и сравнительно малыми энергозатратами, экологически чистый. Промышленное производство порошков в нашей стране составляет в соотношении 4-5: 1 в пользу распыленных порошков.

В настоящее время метод распыления широко используют для получения не только порошков железа, сталей и других сплавов на основе железа, но и порошков алюминия, меди, свинца, цинка, тугоплавких металлов (титана, вольфрама и др.), а также сплавов на основе этих цветных металлов. Распыление весьма эффективно при получении порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы.

Центробежное распыление представляет собой один из основных видов диспергирования расплава. По методу вращающегося электрода распыление происходит в момент формирования расплава. Образовавшаяся на торце расходуемого электрода, вращающегося со скоростью 2000-20000 об/мин, пленка расплава толщиной 10-30 мкм под действием центробежных сил перемещается к его периферии и срывается с его кромки в виде частиц-капель преимущественно размером 100-200 мкм (увеличение диаметра расходуемого электрода и скорости его вращения приводит к уменьшению размера частиц-капель) Кристаллизация капель со скоростью охлаждения порядка 104°С/сек происходит в атмосфере инертного газа.

В последнее время активно развиваются методы распыления расплавов, обеспечивающие очень высокие скорости охлаждения частиц.

Методы распыления при кристаллизации капли расплава со скоростью более 106 °С/с приводят к получению порошков, частицы которых имеют аморфную структуру, придающую им чрезвычайно специфические свойства, позволяющие создавать уникальные материалы для различных отраслей техники.

Физико-химические способы получения порошков

Химическое восстановление:

А) - восстановление происходит из оксидов и других твердых соединений металлов.

Этот способ является одним из наиболее распространенных и экономичных способов.

Восстановителями служат газы (водород, конвертированный природный газ и др.), твердый углерод (кокс, сажа и др.) и металлы (натрий, кальций и др.). Исходным сырьем являются окисленные руды, рудные концентраты, отходы и побочные продукты металлургического производства (например, прокатная окалина), а также различные химические соединения металлов.

Таким путем получают порошки Fe, Cu, Ni, Co, W, Mo, Ti, Ta, Zr, U и других металлов и их сплавов, а также соединений с неметаллами (карбиды, бориды и др.)

Б) - химическое восстановление различных соединений металлов из водных растворов.

Этот способ также является одним из самых экономичных способов, позволяющий получать высококачественные металлические порошки. Восстановитель - водород или оксид углерода. Исходное сырье - сернокислые или аммиачные растворы солей соответствующих металлов.

В) - химическое восстановление газообразных соединений металлов.

Порошки металлов высокой чистоты можно получить из низкокипящих хлоридов и фторидов вольфрама, молибдена, рения, ниобия или тантала по реакции:

МеГх+ 0,5хН2 = Ме + хНГ (1)

где Г - хлор или фтор.

Для получения высокодисперсных порошков металлов или их соединений (карбидов, нитридов и др.) перспективны плазмохимические методы. Восстановителем служит водород или углеводороды и конвертированный природный газ. Низкотемпературную (4000-10000°С) плазму создают в плазмотроне электрической дугой высокой интенсивности, через которую пропускают какой-либо газ или смесь газов. В плазменной восстановительной струе происходит превращение исходных материалов в конденсированную дисперсную фазу. Метод используется для получения порошков тугоплавких металлов W, Mo, Ni.

Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов.

На катоде под действием электрического тока осаждают из водных растворов или расплавов солей чистые порошки практически любых металлов. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и сравнительно низкой производительности электролизеров. Таким путем получают из водных растворов - порошки Cu, Ni, Fe, Ag, а из расплавленных сред - порошки Ta, Ti, Zr, Fe.

Диссоциация карбонилов.

Карбонилами называют соединения элементов с СО общей формулы Меа(СО)с. Карбонилы являются легколетучими, образуются при сравнительно небольших температурах и при нагревании легко разлагаются.

В промышленных масштабах диссоциацией карбонилов производят порошки Ni, Fe, Со, Сr, Мо, W и некоторых металлов платиновой группы.

Термодиффузионное насыщение.

Чередующиеся слои или смесь порошков разнородных металлов нагревают до температуры, обеспечивающей их активное взаимодействие. Получают порошки латуни, сплавов на основе хрома, высоколегированных сталей.

Испарение и конденсация.

Для получения порошка металл испаряют и затем конденсируют его пары на холодной поверхности. Порошок является тонкодисперсным, но содержит большое количество оксидов. Получают порошки Zn, Cd и других металлов с невысокой температурой испарения.

Межкристаллитная коррозия В компактном (литом) металле или сплаве при помощи химического травителя разрушают межкристаллитные прослойки. Получают порошки коррозионностойких и хромоникелевых сталей.

Формование. Цель формования порошков - получение полуфабрикатов (прутки, трубы, ленты) либо отдельных заготовок, по форме приближающихся к конечным изделиям.

Методы формования порошковых заготовок весьма разнообразны. По времени действия их можно подразделить на прерывистые и непрерывные, по принципам приложения давления - на постепенно возрастающие, мгновенно возрастающие и вибрационные, по направлению или схеме формования - на односторонние, двусторонние, всесторонние и центробежные, по применяемой температуре - на холодное формование при комнатной температуре и горячее при повышенной, по атмосфере - на формование на воздухе, в вакууме и в инертной среде.

К прерывистым методам относится большинство случаев формования, когда имеет место поштучное изготовление изделий: формование на разного рода прессах (гидравлических, механических, вибрационных), а также различные виды изостатического (всестороннего) формования - гидростатическое, горячее изостатическое, взрывное.

К непрерывным методам, при помощи которых можно получать изделия значительной длины, относятся клиновое формование, мундштучное (экструзия) и прокатка металлических порошков. Кроме того, к методам формования относится так называемое шликерное литье, которое практически осуществляется без приложения давления.

Холодное формование на прессах. Наиболее распространенным способом формования порошковых материалов является холодное формование в закрытых формах, называемых пресс-формами.

В результате холодного формования в закрытых пресс-формах получается заготовка, по форме и размерам соответствующая готовому изделию с припусками, необходимыми для прохождения последующих операция.

Горячее формование.

Горячее формование осуществляется в закрытых пресс-формах при повышенных и высоких температурах и возрастающем до заданной величины давлении. С повышением температуры уменьшается величина давления, необходимого для уплотнения порошка.

Метод горячего формования позволяет получать изделия из порошков, не поддающихся формованию или спеканию обычными способами.

Горячее формование осуществляется преимущественно на гидравлических прессах. Оно производится в пресс-формах, изготовляемых из жаропрочных сплавов (для низких температур прессования - до 1000°С), либо из графита для высокотемпературного прессования.

Горячее формование применяется только в ряде специальных случаев: при производстве твердых и жаропрочных материалов, алмазно-металлических сплавов и крупных изделий весом до 500 кг (например, твердосплавных прокатных валков). Кроме того, оно применяется при производстве тонких пластин, дисков и других деталей, которые коробятся при спекании и поэтому изготовление их холодным формованием затруднительно.

Непрерывные методы формования

Непрерывные методы формования позволяют получить “протяженные” изделия (прутки, листы) методами порошковой металлургии. К непрерывным процессам формования относится формование в открытой пресс форме - клиновое или формование скошенным пуансоном; выдавливание или экструзия; а также формование в валках - прокатка. Все эти методы формования характеризуются постоянным или постепенно возрастающим давлением.

Клиновое формование.

Процесс формования, названный клиновым, позволяет получить толстые листы и прямоугольные стержни большого сечения из порошковых материалов при использовании оборудования сравнительно небольшой мощ

Спекание. Конечная операция порошковой металлургии - спекание - заключается в нагреве и выдержке заготовок при t 0,7 от t плавления основного компонента. Время выдержки 1-2 часа. В результате спекания между частицами порошка образуются металлические связи. Различают спекание твердой и жидкой фазы.

Спекание в твердой фазе производится при температуре меньшей температуры плавления компонентов смеси. В жидкой при t превышающей t плавления одного из компонентов. При этом легкоплавкий компонент закрывает капиллярные поры.

Круг изделий, изготавливаемых методами порошковой металлургии, весьма широк и непрерывно расширяется. К ним относятся зубчатые колеса, рычаги, кулачки и поршни для автомобилестроения, машиностроения, энергетики, промышленности средств связи, строительной, горнодобывающей и авиакосмической промышленности. Из ленты, полученной холодной прокаткой никелевого порошка, изготавливают монеты (например, канадский пятицентовик). Порошок железа используется в качестве носителя для тонера в ксероксах,

5.1 Металлургия твердых сплавов

справ металл строение обработка

Твердые сплавы. Твердыми сплавами называют износостойкие и весьма твердые металлические материалы, содержащие большое количество карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, железа. Сами по себе карбиды не могут образовать прочных контактных изделий из-за их хрупкости, поэтому для их связки используют кобальт, никель, железо.

Различают твердые сплавы, литые, порошкообразные и металлокерамические.

Литые и порошкообразные твердые сплавы наплавляют для обеспечения долговечности и надежности деталей, работающих в условиях повышенного износа, агрессивных сред, высоких температур и давлений.

Стеллиты - литые твердые сплавы на основе кобальта, содержащие карбиды хрома и вольфрама. Их используют для уплотнительных деталей арматуры, работающих при давлении до 30 МПа и температурах до 650°С. Стеллиты поставляют в виде литых прутков и наплавляют на стальные заготовки арматуры.

Сормайты дешевле стеллитов, в них кобальт заменен железом, а вольфрам хромом(25-31% Cr). По ГОСТ 11545 - 65 сормайт выпускают в виде прутков или порошка. Прутковый сормайт применяют для наплавки пуансонов, матриц, валков и рольгангов прокатных станов и т.п.

Порошковый - для наплавки детали, если допускается пористость поверхностного слоя, а механическая обработка наплавленных поверхностей не требуется. Наплавка сормайта производится различными видами электродуговой сварки, токами высокой частоты, электрошлаковым методом, плазменной дугой.

Помимо сормайта применяют различные марки наплавочных сплавов, например наплавка порошковой проволокой марки ПП - 20Х9Г9Т обеспечивает высокую стойкость против кавитации поверхностного слоя деталей, против коррозии, а также способность самоупрочняться под воздействием ударов.

Металлокерамические твердые сплавы. Эти сплавы применяют в виде пластинок к режущему инструменту и инструменту для буров (при бурении горных пород), для армирования штампов, в виде фильер для волочения. Некоторые мелкие режущие инструменты (сверла, развертки, фрезы) изготавливают целиком из твердых сплавов,

Металлокерамические сплавы очень тверды (HRA82 - 92) и способны сохранять твердость до температуры 1000 - 1100°С.

Основной составляющей таких сплавов являются карбиды вольфрама, титана, тантала. В качестве связующего металла применяется кобальт.

По ГОСТ 3882 - 74 выпускаются металлокерамические сплавы трех групп:

Вольфрамовая - ВК3, ВК3М, ВК4, ВК4Б, ВК6, ВК6М, ВК60М, ВК6В и др.

Титано - фольфрамовая - Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К12.

Титано-тантало-фольфрамовая - ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9.

Буква М обозначает высокую износоустойчивость; буква В или КС в конце марки высокую эксплуатационную прочность и сопротивление и сопротивление ударным вибрациям; буква О указывает на содержание 2% карбида тантала, что увеличивает твердость и износоустойчивость сплава.

При изготовлении изделий из металлокерамических твердых сплавов порошкообразные составляющие тщательно перемешивают и смесь прессуют под давлением от 100 до 420 МПа. Полученные пресс-формы помещают в электропечь, где они при температуре до 1500°С спекаются. При спекании связующий металл (кобальт) расплавляется и обволакивая зерна карбидов, связывает их. При производстве твердых сплавов прессование и спекание часто совмещают горячим прессованием.

Основным преимуществом металлокерамики является возможность получения очень плотных или, наоборот пористых изделий из тугоплавких металлов и сплавов (вольфрама, тантала, твердых сплавов), из металлов не смешивающихся в расплавленном виде (железо - свинец, вольфрам - медь), из металлов и неметаллов (медь - графит и др.).

Список литературы

1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А., Порошковая металлургия, 2 изд., М., 1980.

2. Раковский В.С. Порошковая металлургия в машиностроении / В.С. Раковский, В.В. Скалинский. - М.: Машиностроение, 1983.

3. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы, 6-ое издание - М.: Высшая школа 1980.

Размещено на Allbest.ru