Особенности технологии литья порошковых материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет

Виноградов Максим Валерьевич, аспирант, Тула, Тульский государственный университет

Дан анализ развития технологии литья порошковых материалов, приводятся данные по новейшим методам получения заготовок из мелкозернистых порошков металлов и сплавов, а также способы создания высокодисперсных структур.

Ключевые слова: металлический порошок, фидсток, литье под давлением, пластификатор, уплотняемость, прессуемость.

мелкозернистый порошок металл прессовой

The analysis of the development of casting technology of powder materials, the data on the newest methods of producing blanks of fine-grained powders of metals and alloys, and methods to create fine structures.

Keywords: metallic powder feedstock are presented, injection moulding, plasticizer, compactibility, compressibility.

Интенсивные исследования прикладных методов развития порошковой металлургии (ПМ) привели к появлению промышленного оборудования и специальных материалов.

Главное преимущество метода литья под давлением порошковых металлов заключается в уникальной экономии материала.

В отличие от традиционных методов металлообработки, где до 80 % материала может уйти в стружку, технология литья порошковых материалов (ТЛПМ) практически не имеет потерь - литники после дробилки могут снова перерабатываться в термопластавтомате.

Другое преимущество - в уменьшении времени подготовки производства и меньших производственных затратах.

Все достоинства метода становятся еще более явными при производстве металлических деталей сложной формы или при работе с дорогими металлами (например, титаном).

В настоящее время для реализации ТЛПМ предлагается масса материалов на основе разнообразных железосодержащих сплавов, включая различные инструментальные и быстрорежущие стали, а также все больше перерабатываются материалы на основе титана, вольфрама и других не содержащих железа металлов.

Технология литья под давлением из порошковых материалов в настоящее время получает все большее распространение для получения деталей сложной формы для изделий различного назначения, в том числе и для ОПК.

Форма и сложность по исполнению деталей зависит только от возможности изготовления соответствующей пресс-формы.

На заключительной стадии, если в ней есть необходимость, осуществляется механообработка, термическая или электрохимическая обработка поверхности.

Сырьем для изготовления деталей методом ТЛПМ является гранулят (фидсток) - мелкодисперсные металлические порошки железа и легирующих элементов фракцией от 1 до 20 мкм, смешанные с термопластичным связующим (пластификатором) и специальными смазками.

Гранулят загружается в бункер термопластавтомата, где при температуре от 170 до 200 °С происходит плавление полимерного связующего, гранулят (фидсток) превращается в единую массу и под давлением заполняет пресс-форму, нагретую до температуры от 125 - 145 °С, где происходит его затвердевание.

Получается полуфабрикат, состоящий из металлического порошка и пластификатора и сохраняющий геометрию детали (пресс-формы) после операции литья. Затем полуфабрикат помещается в печь для удаления связующего, где под воздействием температуры 110 - 140 °С в присутствии азотной кислоты и в потоке инертного газа из него удаляется связующее.

Далее полуфабрикат поступает в специальную высокотемпературную печь с регулируемой атмосферой (вакуум, азот, водород в зависимости от марки спекаемого материала), где при температурах 1290 - 1400 °С происходит спекание его частиц и формирование готовой детали.

ТЛПМ снимает практически все ограничения по сложности формы изготавливаемой детали, позволяет получать более прочные детали за счет модификации характеристик материалов, а также получать детали с минимальной толщиной сечения от 0,4 до 30 мм с допусками в пределах 0,1 мм на каждые 25 мм линейных размеров детали.

На рисунке 1 приведены этапы ТЛПМ (от порошка и связующего вещества до окончательной детали).

Рис.1. Этапы ТЛПМ (от порошка и связующего вещества до окончательной детали).

Особенность этой технологии заключается в том, что произведенные на определенном этапе заготовки (гранулят, «зеленая деталь», «коричневая де- таль» и т.д.) значительно влияют на последующее качество детали. Таким образом, ошибка на любом этапе, ведет к браку готовой детали. Поэтому, следует контролировать не только процесс, но и качество заготовок на промежуточных этапах.

Методами ПМ изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Основные области применения железного порошка за рубежом - производство порошковых изделий в таких областях, как автомобильная промышленность и транспортное машиностроение, производство бытовых приборов и электронной аппаратуры, производство инструмента и технологической оснастки, производство конторского оборудования, труб и арматуры, строительное, горношахтное и сельскохозяйственное машиностроение и пр.

В настоящее время изготавливаются в промышленном масштабе порошки таких металлов, как железо и его сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и другие.

Разработки в области порошковых материалов на основе железа в последние годы велись в двух направлениях: улучшение прессуемости материалов и совершенствование технологий легирования [1,2,3].

На первом этапе использование при прессовании порошков губчатого железа в не отожженном состоянии позволяло получить плотность спеченных деталей не выше 6,0 г/см³.

Улучшение прессуемости этих порошков методами сепарации и отжига позволило получить плотность 6,9 г/cм³. Первые распыленные порошки железа имели прессуемость на уровне губчатого.

Дальнейшие разработки в области технологий получения распыленных порошков, повышение их чистоты и прессуемости, привели к увеличению их доли в общем потреблении порошков железа до 70 %, на долю восстановленных - 30 %.

Применение эффективных смазок и «теплого прессования» позволяет получить плотность спеченных изделий на уровне 7,2 - 7,4 г/см³.

Дальнейшее повышение плотности в процессе однократного прессования-спекания из-за большого количества вводимой в металл смазки возможно путем применения технологии смазки формообразующего инструмента. Работы в этом направлении проводятся ведущими мировыми производителями.

На первом этапе материалы для получения порошковых сталей представляли собой обычные смеси на основе порошка железа. При температурах спекания около 1150 °С и введения добавок меди до 2 % повышалась размерная точность. Введение в смеси никеля и повышение температуры спекания до 1300 °С позволяет повысить прочность спеченных материалов.

Дальнейшие разработки в области легирования привели к созданию диффузионно-легированных (или частично легированных) порошков [2,3,4].

Технология их получения использует невысокие температуры диффузионного процесса для закрепления легирующих добавок (в основном никеля, молибдена и меди) на частицах железа. В сочетании с точной воспроизводимостью химического состава в больших объемах шихты технология обеспечивает и высокую уплотняемость этих порошков. Однако такие добавки как графит и пластификатор не могут быть присоединены к частицам железа диффузионным методом, в технологическом процессе при заполнении матрицы порошком или при транспортировке они могут сегрегировать и «пылить».

Проблема устранения этого недостатка была решена созданием связанных смесей, готовых для прессования, в которых эти добавки закрепляются на частицах железа специально вводимым в шихту связующим компонентом. Однако это повышает общее содержание вводимой смазки (отдельно смазка для прессования и связующее для закрепления легких компонентов), что мешает достигать теоретическую плотность при прессовании. Однако существуют смеси, в которых органические добавки выполняют обе функции одновременно без заметного увеличения их содержания в смеси, не имеет данного недостатка.

Расширяющийся объем производства готовых для прессования связанных смесей на основе железа стал серьезным конкурентом для диффузионно-легированных порошков.

Методом распыления можно получать полностью легированные порошки на основе железа, но их прессуемость несколько хуже. Поэтому они используются, в основном, для последующей горячей штамповки порошковых заготовок (исключение составляют порошковые седла клапанов, получаемые методом однократного прессования-спекания).

Важным этапом развития порошковой металлургии стала совместная разработка немецкими фирмами «Hцganдs AB» и «DORST» пластифицированной смеси и специального прессового оборудования с подогреваемыми бункером, питателем, матрицей и пуансонами для «теплого» (140 - 160 °С) прессования, внедрение этого процесса в производство.

Сущность процесса «теплого» прессования состоит в использовании в готовой смеси запатентованных пластификаторов, легко удаляемых, либо растворяемых в металле в процессе спекания, которые одновременно служат жидкой смазкой, уменьшающей трение между частицами порошка друг с другом и со стенками пресс-формы.

Данный процесс позволяет выровнять плотность образцов сложной формы по объему, повысить прочность сырой прессовки и спеченной детали по сравнению с традиционной технологией. Использование процесса «теплого» прессования позволяет достичь на стадии формования изделий из легированных порошков значений плотности спеченных образцов 7,4 - 7,6 г/см³ и сырой прочности прессовок в 2 раза превышающую прочность прессовок, полученных по традиционной технологии (однократное прессование порошка при комнатных температурах и спекания, что обеспечивает плотность (7,0 - 7,2 г/см³).

По такой технологии изготавливаются конструкционные детали высокой сложности и прочности для легковых и грузовых автомобилей, в т.ч. кольца синхронизатора коробки передач, шестерни, шатуны, корпуса коренных подшипников коленчатых валов, шкивы ременных передач двигателей внутреннего сгорания, детали масляных и водяных насосов и т.д.

Также следует отметить, что фирма «Hцganдs AB» разработала вариант технологии, которую условно можно назвать «квазитеплым» прессованием.

В этом случае в составе смеси используются другие пластификаторы, не содержащие цинк, например «Kenolub», температура прессования которого составляет - около 60 °C, т.е. примерно в два раза ниже, причем в этом случае подогревается лишь матрица. Бункер с шихтой и питатель остаются при температуре производственного помещения, а пуансоны - разогреваются от матрицы и порошковой шихты в процессе прессования. Отсутствие цинка обеспечивает повышение ресурса работы печей и качества спекания. Новый пластификатор, особенно в случае подогрева матрицы, способен не только обеспечить сырую плотность прессовки при давлении прессования 700 МПа на уровне 7,2 г/см³, но, и снизить давление прессования на 20 - 25 % [3].

Таким образом, новые смеси имеют такие же технологические свойства, как и с другими пластификаторами, при этом не содержат цинк, обеспечивают повышенную плотность и прочность готовых деталей, меньшее давление прессования.

На свойства спеченных образцов существенное влияние оказывает содержание дополнительных компонентов, вводимых в шихту - меди и углерода. Не меньшее влияние оказывает и скорость охлаждения (в случае использования совмещенной технологии спекания-закалки).

В большинстве случаев исходный порошок поставляется в виде готовой смеси с графитом и, при необходимости, с легирующим компонентами.

К достоинствам готовых смесей можно отнести хорошую прессуемость, высокую прочность сырой прессовки. Благодаря плакированию отдельных частиц пластификатором по всей их поверхности обеспечена хорошая коррозионная стойкость, связанность графита, беспыльность процесса прессования.

После термообработки свойства спеченных образцов из готовых смесей приближаются к свойствам легированных конструкционных сталей.

Перспективным технологическим направлением в производстве массовых изделий машиностроения методами порошковой металлургии продолжает оставаться усложнение геометрии получаемых изделий.

При традиционном прессовании существуют ограничения в формовании всего двух-трех размеров в сечении матрицы. Имеются технические ограничения и в третьем измерении вдоль оси прессования.

Исследования и разработки в области конструкции прессового оборудования, использование ЧПУ для управления независимыми движениями формующих элементов инструмента позволили сделать возможным получение многоуровневых порошковых изделий, однако формы и геометрия изделий все еще существенно ограничены.

Одно из перспективных направлений в этой области - процессы прессования относительно несложных по геометрии порошковых заготовок с последующей их сборкой в сложное многоуровневое изделие в сыром состоянии с изменением общих геометрических размеров и соединении элементов такой сборки друг с другом диффузионной сваркой, совмещенной со спеканием.

Суть этого процесса в том, что при нагреве до температуры спекания двух порошковых деталей из порошка железа с различием в содержании углерода в них в пределах 0,1 - 0,3% происходят интенсивные диффузионные процессы, приводящие к соединению двух отдельных деталей в блок, например, блок шестерен, корпус планетарного редуктора и т.п.

Важным преимуществом ТЛПМ, недоступной иным процессам, является возможность получения изделий сложной формы с толщиной стенки от 0,5 мм, что особенно важно при производстве мелких деталей.

Еще одно преимущество ТЛПМ - низкая шероховатость поверхности, не требующая дополнительной чистовой обработки в большинстве случаев применения.

Однако следует отметить, что из-за высокого содержания полимера усадка в процессе спекания доходит до 20 -25 % на сторону, что ведет к некоторому снижению точности размеров в готовом изделии. Поэтому усадку необходимо учитывать при проектировании технологической оснастки.

Для получения готовых изделий высокой точности размеров и повышенной сложности формы все более широко используют финишную механическую обработку спеченных порошковых заготовок.

По некоторым данным примерно 60 % деталей, полученных ТЛПМ, подвергаются механической обработке, причем она составляет ~ 20 % общей стоимости готовой детали. Это привело к созданию специальных порошковых смесей с улучшенной обрабатываемостью.

В качестве добавок, повышающих не только качество обработанной поверхности, но и стойкость режущего инструмента рекомендуется вводить в шихту до 0,3 % сульфида марганца.

Список литературы

1. Порошковая металлургия: современное состояние и перспективы/ Витязь П.А., Шелег В.К., Ильющенко А.Ф., Савич В.В.// Порошковая металлургия. 2004. -№27. - С.5-29.

2. Порошковая металлургия ХХI века: Quo vadis? (по материалам семинара фирмы Hцganдs AB, Санкт-Петербург, 14-16 мая 2008 г.)/ Савич В.В.// Порошковая металлургия. 2008. - №31. - С.304-313.

3. Wittaker D. Production of Structural PM Parts// International Powder Metallurgy Directory & Yearbook. 11th Edition - 2004/2005. - P.31-47.

Размещено на Allbest.ru