Важными заданиями в технологии машиностроения являются сокращения удельного веса механической обработки в процессах изготовления изделий промышленности и повышение коэффициента использования материалов.

Одним из перспективных способов, что дает возможность успешно решить указанные задания, является способ изготовления заготовок из порошковых материалов.

Преимущества этого способа изготовления заготовок:

высокая точность формы и размеров, качество поверхности;

возможность изготовления композитных материалов, которые нельзя получить другими способами, материалов с заданными пористостью, электрическими, магнитными и теплопроводными свойствами, многослойных, фильтрующих, фрикционных и жаростойких материалов;

высокий коэффициент использования материала;

использование рабочих невысокой квалификации;

минимальная потребность в производственных площадях;

гибкость и возможность автоматизации производственных процессии.

К недостаткам порошковой металлургии относятся:

относительная ограниченность форм и размеров изготавливаемых заготовок;

сравнительно высокая стоимость порошковых материалов;

остаточная пористость заготовок, которая в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как у отливок и поковок.

Производство порошковых заготовок используют как в мелкосерийном, так и массовом производстве, но учитывая указанные недостатки, часто их производство экономически целесообразно только при изготовлении заготовок в значительных количествах.

Экономическая эффективность изготовления порошковых заготовок тем больше, чем больше их серийность. Поэтому такая технология доступна только при годовой программе выпуска в несколько тысяч штук. Опыт промышленности показывает, что заготовки из литья и проката черных металлов целесообразно переводить на изготовление из порошков при серийности 10 000 шт., а заготовки из цветных металлов – при серийности 2000...3000 шт. При использовании групповой технологии изготовление порошковых заготовок может быть целесообразным и при годовой программе в несколько сотен штук. Экономически эффективная программа выпуска порошковых заготовок зависит от их группы сложности, массы, вида порошкового материала и других факторов.

Типовыми деталями, изготавливаемыми из порошковых заготовок, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, гайки, втулки, храповики, фланцы, детали измерительных инструментов и др.

Исходными материалами для изготовления заготовок служат порошки разных материалов размером отдельных частиц 0,5...500 мкм, которые получают распылением из жидкой фазы, размалыванием, раздроблением в вибрационных мельницах и с помощью химического возобновления из окислов.

Технологический процесс изготовления порошковых заготовок складывается, как правило, из таких основных операций: изготовление порошков, приготовления порошковых смесей, формирования, спекания, очистка, контроль качества заготовок.

Приготовление порошковых смесей включает обжиг, просеивание, смешивание, введение наполнителей.

Формование выполняют уплотнением с помощью прессования, экструдирования, прокатывания или штампования.

Прессование выполняют в холодных или горячих формах с давлением 0,1...2 ГПа. Горячее прессование объединяет две операции - формование и спекание, но оно имеет сравнительно меньшую производительность оборудования.

Экструдированием (выдавливанием или прессованием материала через отверстие матрицы) получают прутки и трубы разного сечения.

Прокатыванием порошковой шихты между валками изготовляют ленты, полосы, листы толщиной 0,02…3 мм и шириной до 300 мм из порошков железа, никеля, нержавеющей стали, титана и т.п.

Спекание осуществляется, как правило, в электрических печах с нейтральной или защитной средой в течение 80-90 мин. при температуре, которая равняется двум третям температуры плавления основного компонента.

Как основное оборудование используют кривошипные и гидравлические прессы усилием 0,01...10 МН и больше, резистивные, индукционные и вакуумные электропечи.

В зависимости от условий эксплуатации конструкционные порошковые материалы (КПМ) подразделяют на две группы: материалы, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы; материалы со специальными свойствами – износостойкие, инструментальные, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие, для атомной энергетики, с особыми физическими свойствами (магнитными, электро- и теплофизическими и др.), тяжелые сплавы, материалы для узлов трения – антифрикционные и фрикционные и др. Физико-механические свойства КПМ при прочих равных условиях определяются плотностью (или пористостью) изделий, а также условиями их получения. По степени нагруженности порошковые детали подразделяют на четыре группы (табл. 1).

Прочность и жесткость малонагруженных деталей не рассчитывают, их размеры выбирают из конструктивных или технологических соображений. При изготовлении из традиционных литых или деформированных материалов такие детали имеют слишком большой запас прочности и повышенную массу. Поэтому массовое изготовление заготовок этих деталей методами порошковой металлургии позволяет экономить значительное количество металла. Причем могут быть использованы наиболее дешевые порошки металлов без их легирования (обычно порошки железа или шихты на его основе с добавками углерода).

Таблица 1

К умеренно нагруженным деталям условно относят такие, работоспособность которых в течение всего периода эксплуатации при действующих напряжениях обеспечивают КПМ с пределом прочности, не превышающим при статическом одноосном растяжении 45...65% (в условиях динамического нагружения 35...60%) соответствующих характеристик беспористого материала аналогичного состава. Обычно их изготавливают из порошков углеродистых или низколегированных сталей. Большинство умеренно нагруженных деталей не подвергается расчетам на прочность и жесткость. Их размеры также выбирают из конструктивных или технологических соображений.

Средненагруженные детали находятся под воздействием значительных статических или умеренных динамических нагрузок. Их изготавливают из порошков углеродистых или легированных сталей, цветных металлов и сплавов. Необходимый уровень прочности деталей обеспечивает материал пористостью 2...9%.

На тяжелонагруженные детали воздействуют статические или динамические напряжения большой интенсивности. Работоспособность таких деталей обеспечивают КПМ, относительная прочность которых близка к прочности беспористого материала.

Для получения высоких прочностных характеристик КПМ используют более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. Физико-механические свойства наиболее распространенных углеродистых порошковых сталей различных подгрупп плотности приведены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства порошковых углеродистых сталей

без термической обработки

Примечания: s_В – предел прочности; d – относительное удлинение; y – относительное сужение; KCU – ударная вязкость; Е – модуль упругости; НВ – твердость по Бринеллю. Первое число после индекса СП в марке стали отражает среднее содержание общего углерода в сотых долях процента, цифра после дефиса – подгруппу плотности стали.

Выбор заготовок, намечаемых для изготовления из КПМ, проводят в три этапа:

Отбор деталей, заготовки которых можно изготавливать методами порошковой металлургии; оценка их технологичности с точки зрения требований порошковой металлургии и определение возможной схемы технологического процесса; анализ технико-экономических показателей производства заготовок и определение экономической целесообразности их изготовления из порошков.

На первом этапе изучают конструктивные особенности и условия работы анализируемых изделий. Предварительно определяют наиболее массовые и быстроизнашивающиеся детали, а также детали, изготавливаемые из дорогих и дефицитных материалов; определяют общую годовую потребность в порошковых заготовках этих деталей. Выявленные детали классифицируют по конструкции и назначению, конфигурации и размеру; точности размеров и шероховатости поверхностей, условиям эксплуатации.

При анализе конструкций деталей с целью повышения их надежности за счет применения КПМ необходимо учитывать кинематику и динамику машины и сборочной единицы; удельные нагрузки, скорости скольжения и инерционные усилия; наличие вибраций и другие факторы.

По условиям эксплуатации (температура, влажность и агрессивность окружающей среды, наличие или отсутствие смазки, скорость и давление в зоне сопряжения и т. п.) выбирают тип порошкового материала (конструкционный, антифрикционный, специального назначения и пр.) и его марку.

На втором этапе прежде всего оценивают форму и размеры заготовки. Для этого вычерчивают эскиз заготовки, определяют ее группу сложности Этих групп сложности - 7. Группа сложности характеризуется формой сечения заготовок по высоте (вдоль оси прессования), формой поверхностей, ограничивающих заготовки по высоте и отношением высоты заготовки к толщине стенки. Анализируют возможность изменения формы и размеров. Затем определяют последовательность операций при получении заготовки, ее расположение в пресс-форме, необходимость операции калибровки или последующей механической обработки для получения требуемой точности размеров.

По давлению прессования и площади поперечного сечения заготовки находят потребную мощность прессового оборудования.

При анализе возможности производства порошковых заготовок учитывают сложность изготовления пресс-форм, количество и трудоемкость операции, влияние конфигурации детали на равномерность плотности заготовки по всему сечению. Наиболее целесообразно изготавливать методами порошковой металлургии заготовки из цветных металлов и сплавов (1...7 групп сложности), стальные и чугунные детали крупносерийного производства (1...5 групп сложности).

На третьем этапе для сравнения с другими видами заготовок анализируют годовую программу выпуска порошковых заготовок, которая должна быть не ниже критической, коэффициент использования материала и себестоимость изготовления заготовки с учетом последующей механической обработки.

Заготовки, намечаемые для производств методами порошковой металлургии по сложности технологической подготовки их производства, можно подразделить на:

-заготовки, имеющие аналоги по конструктивно-технологическим признакам подобной сложности из выбранного типа КПМ, которые освоены промышленностью и могут быть полностью изготовлены по отработанной технологии;

-заготовки, не имеющие аналогов подобной сложности с достаточным опытом промышленного изделия, для которых требуется проверка отдельных технологических решений;

-заготовки, не имеющие аналогов по конструктивно-технологическим признакам из выбранного типа КПМ с каким-либо опытом промышленного внедрения.

Для производства заготовок первой категории могут быть использованы типовые или групповые технологические процессы, для заготовок третьей категории необходима разработка новых технологических процессов, а в ряде случаев проведение научно-исследовательских работ. В меньшем объеме такие работы проводятся при технологической подготовке производства заготовок второй категории.

Точность заготовок, получаемых методами порошковой металлургии

При прессовании в закрытых пресс-формах получают заготовки заданной формы и размеров. Однако допуски на их размеры по длине и поперечному сечению более высокие по сравнению с точной механической обработкой. Точность изготовления порошковых заготовок зависит от точности пресса, пресс-форм, стабильности упругих последействий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износа пресс-форм, роста линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении и т. д. Упругое последействие зависит от ряда технологических факторов: дисперсности и формы частиц порошка, содержания оксидов, твердости материала частиц, давления, прессования, наличия смазок и пр. Упругое последействие в заготовках из порошков хрупких и твердых материалов всегда больше, чем в изделиях из мягких и пластичных порошков. Оно сильнее проявляется по высоте заготовок (до 5...6 %), чем по диаметру (не более 2...3 %). Упругое последействие облегчает снятие заготовок с пуансона за счет увеличения охватывающих размеров, но препятствуют их извлечению из пресс-форм при наличии всевозможных выступов, ребер и пр.

Точность размеров холоднопрессованных брикетов при уплотнении «по давлению» соответствует для высотных размеров 12...14-му квалитетам, для диаметральных – 6...8-му квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров точность соответствует 12-му квалитету, для диаметральных – 8...11-му квалитету. Спекание приводит к снижению точности размеров на I...2 квалитета.

Точность геометрической формы и взаимного расположения поверхностей прессовок (круглость, соосность) практически не зависят от схемы прессования и определяются в основном точностью пресс-форм. Поэтому точность изготовления пресс-форм должна быть на 1 квалитет выше заданной точности порошковых заготовок.

Распределение отклонений от номинальных диаметральных размеров деталей типа втулок при уплотнении «по давлению» подчиняется нормальному закону, дисперсия которого зависит от точности изготовления деталей пресс-формы. Дисперсия нормального закона для соосности втулок численно равна зазору между подвижными деталями пресс-форм. При изготовлении заготовок с точностью по 6...7-му квалитету для обеспечения их точности по соосности пресс-формы изготавливают по 3...6-му квалитету. При этом рекомендуются следующие минимальные зазоры между подвижными элементами: при диаметре изделий 18 мм–4...14 мкм; 26 мм–4... ...18 мкм; 45 мм –8...26 мкм. При использовании пресс-формы с шероховатостью формообразующих поверхностей Rа =2,5..0,02 мкм достигается шероховатость холоднопрессованных брикетов Rа=5,0 ...0,16 мкм. Шероховатость спеченных изделий составляет Rа =2,5...0,8 мкм.

Для повышения точности пористых порошковых заготовок применяют калибрование путем обжатия их после спекания в калибровочных пресс-формах при припуске 0,5...1,0 %. Усилие при калибровке составляет 10...25 % усилия холодного прессования. Упругое расширение после калибрования достигает 0,1 %. Отклонения диаметральных размеров калиброванных изделий от соответствующих размеров матрицы или стержня калибрующей пресс-формы не превышает 5...10 мкм.

Калиброванию подвергаются наружные и внутренние поверхности заготовок. Калибровочный припуск устанавливают таким образом, чтобы степень уплотнения не превышала 3 %. Причем, для наружных поверхностей назначают больший припуск чем для внутренних, особенно при необходимости сохранить на них выходы пор. Средний припуск для наружного диаметра втулок из железографита пористостью 15...30 % составляет 0,8...1,2 % от диаметра, для втулок из железа – 0,8...1,4 %.

Лекция № 13

ЗАГОТОВКИ ИЗ ПЛАСТМАСС