Формование металлических порошков

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или в вакууме) при температуре равной 0,4-0,6 абсолютной температуры плавления металла порошка. Наиболее часто отжигают порошки, полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

Классификация порошков – процесс разделения порошков по размеру частиц. Порошки с различным размером частиц используют для составления смеси, содержащей требуемую долю (в процентах) каждого размера. Классификацию частиц размером более 40 мкм производят на проволочных ситах. Если свободный просев затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифицируют на воздушных сепараторах.

Приготовление смеси. Для изготовления изделий используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков – одна из важнейших операций. Ее задачей является обеспечение однородности смеси, от которой зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах и смесителях. Соотношение шихты и шаров по массе составляет 1:1. Смешивание сопровождается измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия. Равномерное и быстрое распределение частиц порошков в объеме смеси достигается при близкой плотности смешиваемых компонентов. При большой разнице плотностей наступает расслоение компонентов. В этом случае полезно применять раздельную загрузку компонентов по частям: сначала загружают более легкие с каким-либо более тяжелым, а затем остальные компоненты. Смешивание всегда лучше происходит в жидкой среде, что не всегда экономически целесообразно из-за усложнения технологического процесса.

При приготовлении шихты некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама, карбидов металлов) для повышения формуемости в смесь добавляют пластификаторы – вещества, смачивающие поверхность частиц.

Пластификаторы должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой смачивающей возможностью, выгорать при нагреве без остатка, легко растворяться в органических растворителях. Раствор пластификатора обычно заливают в перемешиваемый порошок, затем смесь сушат для удаления растворителя. Высушенную смесь просеивают через сито.

Дозирование – это процесс отделения определенных объемов смеси порошка.

Различают объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное дозирование используют при автоматизированном формовании изделий. Дозирование по массе наиболее точный способ, этот способ обеспечивает одинаковую плотность формования заготовок.

Формование – процесс формообразования заключающийся в прессовании порошка с применением формообразующей оснастки.

Применяют следующие способы: прессование в стальной прессформе, изостатическое прессование, прокатка порошков, мундштучное прессование, шликерное формование, динамическое прессование.

Прессование в стальной прессформе. При прессовании, происходящем в закрытом объеме прессформы, возникает сцепление частиц металлического порошка и в результате получается заготовка требуемой формы и размеров. При этом происходит смещение и деформация отдельных частиц, заполнение пустот между ними порошка, а иногда и их заклинивание, т.е. механическое сцепления частиц. У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков частиц порошка малой площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется вглубь частиц. При перемещении частиц порошка в прессформе возникает давление порошка на стенки. Это давление меньше давления со стороны сжимающего порошок пуансона из-за трения между частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами. Давление на боковые стенки зависит от трения между частицами, частицами и стенкой прессформы и равно 25-40 % вертикального давления пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальное давление получается неодинаковым: у пуансона наибольшее, а у нижней части – наименьшее. По этой причине невозможно получить по высоте отпрессованной заготовки равномерную плотность.

Для получения более качественных изделий применяют смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту, поливиниловый спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутреннее трение и трение на стенках инструмента. Смазку обычно добавляют в порошок, что обеспечивает наилучшие производственные показатели.

При выталкивании изделия из прессформы из-за упругого увеличения ее поперечных размеров, размеры изделия несколько превышают размеры поперечного сечения матрицы. Изменение размеров зависит от размера зерен и материала порошка, формы и состояния поверхности частиц, содержания окислов, механических свойств материала, давления прессования, смазки, материала матрицы и пуансона и других параметров.

В направлении действия прессующего усилия изменение размеров больше, чем в поперечном направлении.

Одностороннее прессование применяют для изделий с соотношением высоты Н к наименьшему размеру поперечного сечения d, равным 2...3. Если это соотношение больше 3, но меньше 5, то применяют схему двухстороннего прессования; при большем соотношении размеров применяют другой метод.

Изостатическое прессование – прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия.

Если сжимающее усилие создается жидкостью, прессование называют гидростатическим. При гидростатическом прессовании порошок засыпают в резиновую оболочку и затем помещают ее после вакуумирования и герметизации в сосуд, в котором поднимают давление до требуемой величины. Из-за практического отсутствия трения между стенками оболочки и порошком спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечениям, а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессформах. Перед прессованием порошок подвергают виброуплотнению. Гидростатическим прессованием получают цилиндры, трубы, шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

Прокатка порошков заключается в захвате порошка и подаче его в зазор между вращающимися валками. В межвалковом зазоре порошок сжимается и равномерно прессуется. Получаются изделия большой длины с прочностью, достаточной для транспортировки на следующую операцию – спекание. Прокатку проводят в вертикальной и горизонтальной плоскостях, периодически и непрерывно.

Плотность заготовки зависит от химического и гранулометрического состава порошка, формы частиц, конструкции бункера, давления порошка на валки, состояния поверхности валков, скорости их вращения и других факторов.

Мундштучное прессование – это формование заготовок из смеси порошка с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице.

В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины.

Допустимое обжатие k должно быть более 90 %:

 

k = (F – f)/ f ·100,

 

где F и f – площади поперечного сечения матрицы и изделия.

В некоторых случаях мундштучное прессование выполняют при подогреве материала изделия, при этом обычно не используют пластификатор. Порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400-600 ^оC, меди – 800-900 ^оС, никеля – 1000-1200 ^оС, стали – 1050-1250 ^оС. Для предотвращения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или проводят прессование в защитных оболочках (стеклянных, графитовых, металлических - медных, латунных, медно-железной фольге). После прессования оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных к прессованному металлу.

Шликерное формование – представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму и направленном осаждении твердых частиц порошка на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости) с последующей сушкой.

Потоки шликера возникают в результате впитывая жидкости в поры формы под действием вакуума или центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаскалей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной и составляет 1-60 мин. После удаления изделия из формы его сушат при 110-150 ^оС на воздухе или в сушильных шкафах.

Шликер – это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц от 1-2 мкм и более и жидкости – воды, спирта, четыреххлористого водорода. Взвесь порошка однородна и устойчива в течение длительного времени. Форму для шликерного литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка.

Плотность изделия несколько меньше плотности исходного порошка, при этом связь частиц обусловлена механическим зацеплением. Этим способом изготовляют трубы, сосуды.

Динамическое прессование – процесс прессования с использованием импульсных нагрузок (взрыв заряда взрывчатого вещества, энергия электрического разряда в жидкости, импульсное магнитное поле, сжатый газ, вибрация).

Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Процесс имеет ряд преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. В зависимости от источника энергии прессование называют взрывным, электрогидравлическим, электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное выделение тепла в контактных участках частичек, облегчающее процесс их деформирования и обеспечивающее большее уплотнение, чем при статическом (обычном) прессовании. Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в первые 3-30 с. Наиболее эффективно использование вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких материалов. С применением виброуплотнения удается получить равноплотные изделия с отношением высоты к диаметру 4-5 и более.

 

Спекание порошковых изделий

Спекание – процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств готового изделия, полученных при нагреве сформованного порошка.

Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания и других факторов.

В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков расплавляются.

Твердофазное спекание. При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду.

Все металлы имеют кристаллическое строение и уже при комнатной температуре совершают значительные колебательные движения относительно положения равновесия. С повышением температуры энергия и амплитуда атомов увеличивается и при некотором их значение возможен переход атома в новое положение, где его энергия и амплитуда снова увеличиваются и возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит название диффузии и может совершаться как по поверхности (поверхностная диффузия), так и в объеме тела (объемная диффузия). Движение атомов определяется занимаемым ими местом. Наименее подвижны атомы, расположенные внутри контактных участков частичек порошка, наиболее подвижны атомы, расположенные свободно – на выступах и вершинах частиц. Вследствие этого, т.е. большей подвижности атомов свободных участков и меньшей подвижности атомов контактных участков, происходит переход значительного количества атомов к контактным участкам. В результате расширяются контактные участки и округляются пустоты между частицами без изменения объема при поверхностной диффузии. Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии. При этом происходит изменение геометрических размеров изделия – усадка. Обычно усадка в направлении прессования больше, чем в поперечном направлении. Движущей силой процесса усадки при спекании является стремление системы к уменьшению запаса поверхностной энергии. По этой причине порошки с развитой поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большие запасом поверхностной энергии.

При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки. Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки или в увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных напряжений после прессования, наличие невосстанавливающихся окислов, фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при химических реакциях восстановления окислов газов. Рост объема спекаемых тел наблюдается при образовании закрытой пористости и объеме пор более 7 % (когда расширение газов в закрытых порах вызывает увеличение объема). Пленки невосстанавливающихся окислов тормозят процессы диффузии, препятствуя усадке.

Рекристаллизация при спекании приводит к росту зерен и уменьшению суммарной поверхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен ограничен тормозящим влиянием посторонних включении на поверхностях зерен: порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную.

Перенос атомов через газовую среду наблюдается при испарении вещества и конденсации его на поверхности других частиц, что происходит при определенной температуре. Такой перенос возникает из-за различной упругости паров вещества над этими поверхностями, обусловленной их различной кривизной у нескольких соприкасающихся частиц. Перенос вещества увеличивает межчастичные связи и прочность сцепления частиц, способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.

Свойства исходных порошков – размер частиц, их форма, состояние поверхности, тип окислов и степень совершенства кристаллического строения – определяют скорость изменения плотности и качество спрессованных изделий. При одинаковой плотности спеченных изделий механические и электрические свойства тем выше, чем меньше были частицы порошка, шероховатость поверхности частиц и дефекты кристаллического строения. Перечисленные факторы способствуют усилению диффузии, увеличению плотности и прочности изделия.

Структура изделий, спеченных из тонкоизмельченных порошков, отличается наличием большого числа крупных зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации при спекании. Увеличение давления прессования приводит к уменьшению усадки (объемной и линейной), повышению всех показателей прочности – сопротивления разрыву и сжатию, твердости. С повышением температуры плотность и прочность спеченных изделий возрастает тем быстрее, чем ниже было давление прессования. Обычно температура спекания составляет 0,7-0,9 температуры плавления наиболее легкоплавкого материала, входящего в состав шихты (смеси порошков). Выдержка при постоянной температуре вызывает сначала резкий, а затем более медленный рост плотности, прочности и других свойств спеченного изделия. Наибольшая прочность достигается за сравнительно короткое время и затем почти не увеличивается. Время выдержки для различных материалов длится от 30-45 минут до 2-3 часов. Атмосфера спекания влияет на показатели качества. Плотность изделий при спекании в восстановительной среде выше, чем при спекании в нейтральной среде. Очень полно и быстро проходит спекание в вакууме, которое по сравнению со спеканием в нейтральной среде обычно начинается при более низких температурах и дает повышенную плотность изделия.

Температурный интервал спекания разделяют на три этапа. На первом этапе температура составляет лишь 0,2-0,3 Т _пл и плотность шихты почти не изменяется. Задача первого этапа заключается в удалении пластифицирующих присадок, частичном снятии остаточных напряжений, ослаблении физического взаимодействия между частицами порошка. На втором этапе (температура около 0,5 Т _пл) развиваются процессы восстановления окислов и удаления газообразных продуктов. Плотность может несколько снижаться. Третий – высокотемпературный (температура около 0,9 Т _пл) этап интенсивного спекания, характеризуемый значительным увеличением скоростей диффузионных процессов, рекристаллизацией, развитием металлических контактов и существенным увеличением плотности материала.

Горячее прессование – процесс одновременно прессования и спекания порошков при температуре 0,5-0,8 Т _пл основного компонента шихты. Это позволяет увеличить текучесть шихты при повышенных температурах и получить малопористые изделия. При этом силы давления формования суммируются с внутренними физическими силами, приводящими к уплотнению. Наиболее существенными результатами горячего прессования являются максимально быстрое уплотнение и получение изделия с минимальной пористостью при сравнительно малых давлениях. Механизм уплотнения идентичен наблюдаемому при обычном спекании: образование межчастичного контакта, возрастание плотности с одновременным увеличением размеров частиц и дальнейший их рост при незначительном дополнительном уплотнении. Изделия после горячего прессования обладают более высоким пределом текучести, большим удлинением, повышенной твердостью, лучшей электропроводностью и более точными размерами, чем изделия полученные путем последовательного прессования и спекания. Указанные свойства тем выше, чем больше давление прессования. Горячепрессованные изделия имеют мелкозернистую структуру.

Горячее прессование нагретого порошка или заготовки выполняют в прессформе. Нагрев осуществляют обычно электрическим током.

До приложения давления к порошку прессформа с порошком или только порошок могут быть нагреты и каким-либо другим способом. Материалом для изготовления прессформ служат жаропрочные стали (при температурах до 1000 ^оС) графит, в том числе и силицированный, имеющий повышенную механическую прочность. В настоящее время расширяется применение прессформ из тугоплавких окислов, силикатов и других химических соединений. Для предупреждения взаимодействия прессуемого материала с материалом прессформы внутреннюю поверхность ее покрывают инертным составом (жидкое стекло, эмаль, нитрид бора и др.) или металлической фольгой. Кроме того, для предупреждения окисления прессуемого изделия применяют защитные среды (восстановительные или инертные) или вакуумирование. Горячее прессование выполняют на специальных гидравлических прессах, имеющих устройства для регулирования температуры при прессовании.

Интенсификация процесса спекания достигается специальными приемами. Для этого используют химические и физические способы активирования спекания. Химическое активирование заключается в изменении состава атмосферы спекания. Например, добавка в атмосферу хлористых или фтористых соединений способствует активному взаимодействию с ними выступов частичек, а образующиеся соединения снова восстанавливаются до металла, атомы которого конденсируются в местах с минимальным запасом свободной энергии. Оптимальной является массовая доля хлористого водорода в водородной восстановительной среде 5-10 %, интенсивное уплотнение спекаемой заготовки наблюдается при добавке в порошок малого количества металла с меньшей температурой плавления. Например, к вольфраму добавляют никель, к железу – золото и т.п. В настоящее время широко применяют физические способы спекания: циклическое изменение температуры, воздействие вибраций или ультразвука, облучение прессформ, наложение сильного магнитного поля.

Жидкофазное спекание. При жидкофазном спекании в случае смачивания жидкой фазой твердой фазы увеличивается сцепление твердых частичек. При плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит процесс спекания, препятствуя уплотнению. Жидкая фаза приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы. При жидкофазном спекании можно получить изделия, в структуре которых поры практически отсутствуют.

Различают спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса спекания, и спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе.

Пропитка жидкими металлами. При изготовлении электроконтактных и некоторых конструкционных материалов широко применяют пропитку спрессованного и затем спеченного пористого каркаса из более тугоплавкого материала жидкой металлической составляющей композиции. При этом жидкий металл или сплав заполняет сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. Существует два варианта пропитки. По первому варианту на пористый каркас помещают пропитывающий металл в виде кусочка с объемом, равным объему пор каркаса и нагревают в печи до температуры плавления пропитывающего материала. При этом расплав впитывается порами тугоплавкого каркаса. По второму способу пористый каркас помещают в расплав пропитывающего металла или в засыпку из порошка пропитывающего металла. Впитывание происходит под действием капиллярных сил. Скорость пропитки составляет десятые доли миллиметра в секунду и увеличивается с повышением температуры. Температура пропитки обычно на 100-150 ^оC превышает температуру плавления пропитывающего металла. Однако эта температура не должна превышать температуру плавления металла каркаса.