Закономерности получения изделий из металлических порошков методом прессования

      Взрываемость порошка. Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка с кислородом приводят к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием и распространением взрывной волны (происходит взрыв).  
Металлические порошки, располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться. Поэтому, рассматривая взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е. взвеси металлических частиц в газе.  
Характеристики взрываемости зависят от дисперсности металлического порошка, степени его окисленности и содержания кислорода в газовой фазе.  
       Токсичность порошка. Практически пыль любоко из металлов, в том числе и совершенно безвредных в компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать патологические изменения в его организме, фиброгенные и аллергические заболевания. Степень опасности для здоровья человека металлических пылей зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в организм и т.д. Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях концентрацию пыли на уровне ниже нормы ПДК .  
Согласно заданию дан порошок ПНК-УТ1, полученный карбонильным  методом. Его химический состав:Ni 99.9%, Fe до 0,0015, C до 0.9,Si до 0,001, Mn до 0.0003, S до  0,0007, Co 0,001, Mg 0,0003, As 0,0005. 
2.2 Физические свойства 
          К физическим свойствам порошка относятся форма и размер частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность частиц, пикнометрическая плотность и микротвердость.  
        Форма и размер частиц. В зависимости от химической природы металла и способа получения, частицы порошка могут иметь различную форму – сферическую (карбонильные), каплеобразную (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле в вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в шаровых и вибромельницах), волокнистую и лепесткововидную (получение при плющении).  
        Форма частиц порошков оказывает большое влияние на насыпную плотность и прессуемость, а также на плотность, прочность и однородность прессовок.  
В зависимости от метода получения порошков их размеры могут колебаться в больших пределах. В связи с этим порошки классифицируются на ультратонкие с размером частиц до 0,5 мкм; весьма тонкие – от 0,5 до 10 мкм; тонкие – от 10 до 40 мкм; средней тонкости – от 40 до 150 мкм и крупные (грубые) – свыше 150 мкм.  
         Гранулометрический состав. Размер частиц является важнейшей технологической характеристикой порошков. Величина частиц, а особенно так называемый набор зернистости, т.е. соотношение количества частиц разных размеров (фракций) выраженное в процентах, называется гранулометрическим составом. Данные по гранулометрическому составу входят в качестве обязательного требования к техническим условиям на порошки.  
От размера частиц порошков в сочетании с другими свойствами зависят насыпная плотность, давление прессования, усадка при спекании,  
механические свойства готовых изделий.  
          Существует несколько методов определения гранулометрического состава порошков: ситовый анализ, микроскопический метод, седиментация и др. Самым простым и наиболее распространенным является ситовый анализ, который состоит в просеивании пробы порошка через набор сит, взвешивании отдельных фракций и расчета их процентного содержания .  
            Удельная поверхность частиц. Под удельной поверхностью порошкообразных тел понимается суммарная поверхность всех частиц порошка, взятого в единице объема или массы.  
Удельная поверхность зависит от размера и формы частиц, а также от степени развитости их поверхности. Удельная поверхность возрастает с уменьшением размера частиц, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности.  
Удельная поверхность – важная характеристика, которая определяет поведение порошкового материала при основных технологических операциях – прессовании и спекании.  
           Наиболее часто для определения показателя удельной поверхности применяют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции.  
        Пикнометрическая плотность. Исследование плотности металлических порошков в зависимости от метода их получения показывает, что фактическая плотность частиц порошка значительно отличается от плотности, вычисленной на основе рентгенографических данных при определении кристаллографической структуры металлического порошка. Это различие в плотности объясняется наличием в металле порошка значительной внутренней пористости, дефектов, оксидов и т.п. Поэтому в практике порошковой металлургии важное значение приобретает фактическая плотность, которую определяют пикнометрическим методом. Микротвердость частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Ее величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также от условий предварительной обработки порошка, изменяющей структуру его частиц. Деформируемость имеет важное значение для оценки технологических свойств порошков, главным образом их прессуемости .  
Микротвердость частиц порошка определяют по методу Виккерса, т.е. вдавливанием алмазной пирамиды в исследуемый материал с целью прогнозирования поведения порошка при прессовании и для разработки новых материалов .  
2.3 Технологические свойства 
     Под технологическими свойствами порошков понимается их насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость.  
      Насыпная плотность порошка – масса единицы объема порошка при свободной насыпке.  
      Насыпная плотность выражает способность порошка к укладке и зависит от плотности металла (сплава) и фактического заполнения порошком объема. Плотность укладки частиц порошка в объеме определяется его дисперсностью, формой и удельной поверхностью частиц. Поэтому насыпная плотность порошка из одного металла (в зависимости от метода получения) может иметь различное значение.  
Текучесть порошка – способность порошка с определенной скоростью вытекать из отверстия. Этот показатель важен для организации процесса автоматического прессования заготовок. По стандарту текучесть выражают числом секунд, за которое 50 г порошка вытекает через колиброванные отверстия конусной воронки.  
       Уплотняемость – способность уменьшать занимаемый объем порошкового материала под воздействием давления или вибрации. По стандарту эта характеристика оценивается по плотности прессовок, изготовленных при давлениях прессования в цилиндрических пресс-формах с заданным диаметром.  
       Прессуемость – способность образовывать тело при прессовании, которое имеет заданные размеры и форму.  
      Формуемость – способность сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале пористости. Формуемость порошка в основном зависит от формы, размеров и состояния поверхности частиц. Как правило, порошки с хорошей формуемостью обладают не очень хорошей прессуемостью, и наоборот. Чем выше насыпная плотность порошка, тем хуже формуемость и лучше прессуемость.

По заданию дан порошок марки ПНК-УТ1, насыпная плотность которого составляет3.0-3.5 г/см³. г/см3. 

 

 

3 Основные закономерности прессования

3.1 Расчет давления прессования

Для расчета давления прессования целесообразно использовать уравнение М. Ю. Бальшина:

где Pmax [МПа]– давление прессования, необходимое для получения беспористого тела. По физической сущности оно равно давлению истечения матер Pmax = 880 МПа;

m – коэффициент, учитывающий природу прессуемого материала и называется показатель прессования.

m = 3,5;

β – относительный объем прессовки, связанный с относительной плотностью.

Плотность компактного материала γк рассчитаем по формуле: 
γк=Ni* γNi+C* γC+Fe* γFe+Co* γCo+Si* γSi+Cu* γCu+Mg*γMg+As*γAs+S*γS

γк=  8.99*0.99+2.25*0.009+7.874*0.00015+8.9*0.001+2.23*0.001+8.92*0.00003+1.737*0.0003+5.73*0.00005+2.070*0.00007=8.93 г/см3

Пористость рассчитывается по формуле:

Отсюда: γпресс = γк - П·γк

П = 23% = 0,23%

γпресс= 8,99-8,99*0,23=6,9223 г/см3

Рассчитав γпресс и γк можно найти γотн:  
γотн  = 6,9223/8,99=0,77 г/см3

Следовательно: β = 1 / 0,77 = 1,298

Используя найденные показатели можно рассчитать давление прессования:  
Р = 880 / 1,298^ 3.5 = 353.2 МПа 

3.2 Расчет высоты матрицы  прессформы

 

                                                Изделие:

 

 

 

 

Рисунок 1 – Схема простейшей пресс формы для ручного прессования

D1 = D + 2a

D = d = 16 мм,  а = 20 мм

Тогда D1 = 16 + 2∙20 = 56 мм

Рассчитываем высоту матрицы пресс формы:

,

h = 36 мм, lдоп = 20 мм, γнас = 3,5г/см3 

Тогда Н = 6,9223/3,5*36+20=91 мм

hп =H+hдоп

hдоп = 10 мм

hп = 91+10= 101 мм

Для матрицы и пуансона простой формы выбираем сталь У8.

3.4 Выбор  прессформы  
Основным приспособлением при прессовании металлических порошков является прессформа. Конструкция пресс-формы определяется такими факторами, как характер приложения давления при прессовании – одностороннее или двухстороннее; применяемый способ извлечения изделия из пресс-формы – выталкивание или разборка пресс-формы; количество одновременно прессуемых изделий – одно или многоместная пресс-форма; и, наконец, метод работы – индивидуальное прессование с ручной распрессовкой или применение полностью автоматизированного процесса.  
Для данного порошка выбираем разборную прессформу с односторонним прессованием. 

 

 

Рисунок 2 – разборная пресс-форма

1 – башмак; 2 – крепежный  болт; 3 – щеки; 4 – пуансон; 5 –  подкладка; 6 – прессовка.

 

Пресс-форма состоит из матрицы, пуансона и подставки. Матрица служит для вмещения порошка и формирования боковой поверхности прессовки. Пуансон – служит  для формирования верхней поверхности прессования и обжатия порошка, он является подвижной частью пресс формы. Подставка необходима  для формирования нижней поверхности изделия.  Она препятствует  высыпанию порошка из пресс-формы. Разборная пресс-форма собирается в специальном башмаке и прочно в нем закрепляется. Прессовка удаляется после разборки пресс-формы.

4 Технологические режимы спекания

Спекание – это нагрев и выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Под спеканием понимают термическую обработку, приводящую к уплотнению свободно насыпанной или спрессованной массы порошка. Спекание сопровождается протеканием физико-химических процессов, которые обеспечивают большее или меньшее заполнение пор.  
        Для однокомпонентных систем технологическая температура спекания составляет 0,6-0,9 от температуры плавления основного компонента.  
Многокомпонентные системы спекают при температуре, равной или немного большей, чем температура плавления наиболее легкоплавкого компонента.  
        Спекание является заключительной технологической операцией, которая и определяет сущность метода порошковой металлургии. В процессе проведения спекания порошковая формовка превращается в прочное порошковое тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного беспористого  материала.  
Во время спекания происходит:  
·                        изменение размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел;  
·                       

 протекают процессы  граничной, поверхностной и объемной  диффузии;  
·                        наблюдается различные дислокационные явления;  
·                        осуществляется перенос через газовую фазу;  
·                        протекают химические реакции и различные фазовые превращения;  
·                        имеет место релаксация микро- и макронапряжений;  
·                        идут процессы рекристаллизации, т.е. наблюдается рост зерна материала 

Мной был выбран порошок марки ПНК-УТ1, который относится к многокомпонентной системе. Температуры плавления основных компонентов:  
tплавNi= 1453C 
 
Выбираем температуру спекания приблизительно равной температуре плавления самого легкоплавкого компонента - температуру плавления никеля tплавNi=1453С. Спекание проводим в вакууме. Температура спекания выше 1200С, следовательно, время выдержки составляет 4 часа. 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Применение  порошковых материалов  
              Методом порошковой металлургии можно получить такие электротехнические материалы и сплавы, которые трудно или совершенно невозможно получить другими известными способами. Например, различные сплавы из металлов, не сплавляющихся между собой: вольфрам-медь, вольфрам-серебро и т.п., а также из металлов и неметаллов: медь-графит, серебро-окись кадмия и т.д., которые находят широкое распространение в электро- и радиотехнике.  
       Методом порошковой металлургии можно также получить сплавы с точно заданным составом, обладающие очень низким и очень высоким электросопротивлением.  
        Металлокерамические материалы применяют в электро- и радиовакуумной промышленности при изготовлении ламп накаливания, в рентгеновских трубках, катодных лампах, выпрямителях и усилителях, генераторных лампах, кенотронах, газотронах и т.д. Так, например, для изготовления нитей накаливания обычных осветительных электроламп применяется вольфрам, получаемый методами порошковой металлургии.  
           Широкое внедрение в промышленность электронагрева различных материалов внесло значительное изменение в технологию производства. В развитии электронагревательных злементов большая роль принадлежит металлокерамическим материалам.  
             Промышленное использование высоких потенциалов выдвигает необходимость в разработке контактных устройств из тугоплавких материалов, которые должны обладать высокой теплопроводностью и электропроводностью, иметь высокую степень прочности в условиях ударных нагрузок при высоких температурах, незначительную склонность к свариванию и прилипанию. Изготовление контактных материалов, обладающих таким сочетанием свойств, возможно только методами порошковой металлургии .  
       Современные резцы из твердых сплавов, полученные методом порошковой металлургии, вызвали подлинную революцию в обработке металлов резанием и в горном деле. Скорость обработки металлов увеличилась в десятки раз.  
     Успешно применяются в промышленности различные металлокерамические антифрикционные материалы, а также пористые подшипники, фильтры и многие другие изделия.  
 
Заключение  
          Согласно варианту задания был выбран порошок марки ПНК-УТ1, из которого требуется изготовить деталь методом порошковой металлургии цилиндрической формы с заданными размерами: d = 16 мм, h =36 мм.  
        Данный порошок содержит 99% никеля и незначительные примеси , насыпная плотность составляет γнас = 3,5 г/см3.  
       Изделие изготавливается методом одностороннего прессования в разборной прессформе с размерами D = 16 мм,D1 = 56 мм, H = 91 мм,  hп = 101 мм. матрица и пуансон прессформы изготовлены из стали маркой У8. Давление прессования составляет 353.2 МПа.  
      Спекание проводят в вакууме при температуре  1453 С в течение 4 часов.  
Изделия, изготавливаемые из данного образца, находят разнообразные области применения.  
 
Список использованных источников  
1.  Федорченко И. М. Основы порошковой металлургии.– Киев: Издат. Академии наук Украинской ССР, 1961  
2.  Андреевский Р. А. Порошковое материаловедение.– М.: Металлургия, 1991  
3.  Цукерман С. А. Порошковая металлургия.– М.: Издат. Академия наук СССР, 1958 

4. Курс лекций  
5.  Бальшин М. Ю.  Порошковое металловедение.– М.: Металлургиздат, 1948  
6. Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1991  
7.  Ермаков С. С., Вязников Н. Ф. Порошковые стали и изделия. – 4-е изд. перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленинград. отд., 1990

8. Вязников Н.Ф., Ермаков С.С. Применение порошковой металлургии в промышленности. – М.: Гос. научно-технич. издат. машиностроит. литературы, 1960