Порошковая металлургия, ЭФ и ЭХ методы обработки

  Порошковая   металлургия - процесс   изготовления   деталей  из
металлических   порошков   и   их   смесей   с  неметаллическими
материалами  без расплавления основного компонента. Детали можно
получать  из  чистых  металлов,  сплавов и композиций металлов с
неметаллами,   которые   невозможно   создать  приемами  обычной
металлургии   вследствие   их  жаростойкости  или  неспособности
сплавляться.  Сущность  технологического  процесса заключается в
том,  что  из металлического порошка или смеси порошков прессуют
заготовки,  которые  затем  подвергают  термической  обработке -
спеканию. Порошковой металлургией можно получить детали из особо
тугоплавких  металлов,  из  нерастворимых  друг в друге металлов
(вольфрам и медь, железо и свинец, и т.п.), пористые материалы и
детали   из  них,  детали  состоящие  из  двух  (биметаллы)  или
нескольких  слоев  различных  металлов  и сплавов. Металлические
порошки  состоят из очень мелких частиц (0,5 - 500мкм) различных
металлов и их окислов.
Антифрикционные  металлокерамические  материалы  предназначены
для  изготовления  подшипников  скольжения.  Пропитанные  маслом
пористые  подшипники способны работать без дополнительной смазки
в  течение нескольких месяцев, а со специальными "карманами" для
запаса  масла  -  в  течение  2-3  лет. Состав таких материалов:
железо   -  графитовые,  железо  -  медно-графитовые,  бронзо  -
графитовые и др.
Фрикционные материалы представляют собой сложные композиции на
медной  или  железной  основе. Коэффициент трения можно повысить
добавкой  асбеста,  карбидов  тугоплавких  металлов  и различных
окислов.   Фрикционные   материалы   обычно   применяют  в  виде
биметаллических   элементов,  состоящих  из  фрикционного  слоя,
спечённого   под   давлением  с  основой  (лентой  или  диском).
Коэффициент  трения  по  чугуну  без  смазки  примерно  0,4-0,6,
температура в зоне трения может быть до 500-60000С.
Высокопористые   материалы   предназначены   для  изготовления
фильтров. Их состав: коррозионная сталь, алюминий, титан и др.
Металлокерамические  твёрдые  сплавы  характеризуются  высокой
твёрдоетью,   теплостойкостью,  износостойкостью.  Изготавливают
также, жаропрочные и жаростойкие сплавы.
Стандартные  марки  металлических  порошков,  используемых для
шихты, приведены в табл.
Порошок ГОСТ или ТУ Марка Количество примесей,
%, не более
Размер частиц,мкм
-
-
ПЖ-А1 ПЖ-А2 0.15С; 0.2551; 0.5МП;
0,043; 0.04Р
10-50 25-80
Железный МТУ 3648-53 ПЖ-Б 0.29С; 0.4351; 0.5МП;
0,043; 0.04Р
40-50
-
-
ПЖ-В 0.4С; 1.231; 0.5МП;
0,063; 0.05Р
100-400
Кобальтовый ГОСТ 0791 71* ПК-1 0.4М1; 0,2Ре; 0,0331;
0,05Си; 0.02С
10-60
-
-
ПК-2 1,0■; 0,5Ре; 0,1Сц;
0,0531; 0,05СР
10-50
Вольфрамовый МПТУ 2509-50
-
1,0С 50-100
Никелевый
(электролити-
ческий
ГОСТ 9722-71* ПНЭ1, ПНЭЗ 0,5Со; 0.02С; 0,08Сч;
0,2Ре; 0,0381
25-60
Cеребряный
-
ПС-1 (ПС-2) 0,02Си; следы Ре; РЬ, Мg, ЗО 10-50
Медный ГОСТ 4960-75 ПМ ПМА 0,02Ре; 0,05РЬ; следы 5Ь, Ав, 30 25-80
Алюминиевый
-
ПАП-1 ПАП-2
ПАП-3
1,2Ре; 0,6 (Си+2п) 150-800 100-400
50-150
Основные  технологические  свойства порошков - насыпная масса,
текучесть и прессуемость.
Насыпная  масса  -  масса  единицы объема свободно насыпанного
порошка.   При   постоянстве   насыпной   массы   обеспечивается
стабильность   усадки   спекаемого   материала.  Насыпная  масса
железных  порошков  2,4-3,5 г/см3, свинцовых и оловянных 3,2-5,7
г/см3,     медных     и     хромоникелевых     1,5-2,4    г/см3,
алюминиевых-0,7-0,8  г/см3.  Прессуемость  - способность порошка
уплотняться,   приобретать   и   сохранять  форму  под  влиянием
сжимающих усилий. Для повышения прессуемости применяют порошки с
разной  зернистостью.  Текучесть - способность порошка заполнять
форму.   С   уменьшением   размеров   частиц  порошка  текучесть
ухудшается.
Технологический   процесс   изготовления  деталей  состоит  из
приготовления   шихты,   дозирования,   прессования,   спекания,
термообработки,  калибрования,  обработки  резанием  и нанесения
гальванопокрытия.
Приготовление  шихты.  Очищенные (химическим, механическим или
магнитным  способом)  порошки измельчают в шаровых мельницах для
выравнивания    зернистости    и   отжигают   в   защитной   или
восстановительной  атмосфере  с  целью  снятия  наклепа. Частицы
разделяют  на  фракции  ситовым методом. При размере частиц < 50
мкм применяют воздушное разделение.
Порошки  смешивают  в  вибрационных или барабанных смесителях.
При  смешивании  порошков  с  различной  насыпной массой в шихту
добавляют   1-2%   глицерина.   Для  повышения  текучести  смеси
производят   грануляцию   шихты,   добавляя   в   нее   0,3-0,6%
пластификатора (парафин или синтетический каучук, растворенный в
бензине).  Шихту  дозируют по массе или объему. В крупносерийном
механизированном  производстве  применяют  объемное дозирование,
при котором определяют насыпной объем.
Прессование  осуществляют  на  гидравлических  или кривошипных
прессах   с   прессующим   и  выталкивающим  плунжерами.  Усилие
прессования  20-200 тс. Оформляющие элементы пресс-форм (матрицы
и пуансоны) изготовляют из конструкционных хромоникелевых сталей
по 7-10-му квалитету точности (СТ СЭВ 145-75) и с шероховатостью
поверхностей  Rа  = 1,25- 0,32 мкм. При конструировании деталей,
изготовляемых   порошковой  металлургией,  необходимо  соблюдать
следующие  правила:  1)  детали  не  должны  иметь  наружной или
внутренней  резьбы;  2)  детали должны иметь плавные переходы от
тонких  сечений  к толстым; 3) радиусы округления должны быть не
менее 1 мм; 4) высота детали не должна превышать Зd.
Спекание.  Температура  спекания  должна  составлять 0,65-0,75
температуры  плавления  основного компонента металлокерамической
смеси.  Выдержка по достижении максимальной температуры спекания
30-80  мин.  При  увеличении  выдержки  плотность существенно не
повышается.  Процесс спекания делят на три этапа: 
I этап: нагрев до 150° С - удаление влаги;
II  этап:  нагрев  до  температуры,  которая  на 20-25% меньше
температуры  спекания,  -  снятие  упругих напряжений и активное
сцепление  частиц;  
III  этап:  нагрев  до  температуры  спекания  в  защитной или 
нейтральной среде - восстановление окисных пленок и окончательное   
сцепление частиц.  Спекание происходит  при температуре 0,6 - 0,9 
температуры плавления порошка.
Электрофизические   (ЭФ)   и   электрохимические  (ЭХ)  методы
обработки.
Электрофизическая  обработка  - это обработка, заключающаяся в
изменении формы, размеров и чистоты поверхности, заготовки путем
использования     разрядов,     магнитострикционного    эффекта,
электронного или оптического излучения, плазменной струи.
Электрохимическая  обработка  - это обработка, заключающаяся в
изменение,  формы,  размеров  и  чистоты  поверхности заготовки,
вследствии растворения ее материала в электролитическом растворе
под действием электрического тока.

I. Электроэррозионная обработка Метод основан на бомбардировании материала анода потоком электронов, при этом происходит мгновенное испарение частиц материала и перенос его на катод.
Схема:




Инструмент

Зазор между заготовкой и инструментом

Заготовка






Зазор  регулируется  с  помощью  следящей  системы  Разряд  на
поверхности  вызывает  микровзрыв. И = 30 - 200 В. Ток - 10 - 60
А. Время заряда 10-4 - 10-8с. Нагрев достигает 8000 - 110000С.
В   зазор   заливается   жидкость   на   основе  керосина  или
промышленная  вода  и  др.  Наибольший  эффект  достигается  при
изготовлении деталей сложной формы, в токопроводящих материалах,
трудно   обрабатываемых   резанием   в   условиях  единичного  и
мелкосерийного   производства.  Широко  применяют  обработку  на
прецизионных  вырезных  станках с применением непрофилированного
инструмента  -  электрода  в  виде  проволоки. Точность размеров
контура   +   -10   мкм   в   среднем.   Rz  =  3,2  -  20  мкм.
Производительность 10 - 35 мм2 /мин по стали и 10 - 20 мм 2мин
по  твердому  сплаву.  Применяют  проволоку  из вольфрама. Зазор
регулируется с помощью следящей системы.
2. Ультразвуковая размерная обработка.
 Сущность  метода  заключается  в воздействии на зону обработки
ультразвуковыми  колебаниями и поэтому происходит интенсификация
процесса обработки. 
 Применяется: 1. Обработка и дробление хрупких материалов.  
 2. Ультразвуковая  очистка  материалов.  
 3. Пайка и лужение алюминия.
 4. Ускорение гальванических процессов.
 5. Сварка полимерных изделий.
 При   обработке   ультразвуком   применяют  частоту  колебаний
инструмента  16-20  кГц,  амплитуда  колебаний 0,015 - 0,012 мм,
инструмент применяется с абразивной насадкой, а рабочая жидкость
( суспензия )  повышает  производительность  за  счет  вымывания
частиц материала.
 Ультразвуковые   прошивочные   станки   обеспечивают  точность
обработки  30  мкм,  минимальный  диаметр  получаемого отверстия
15-80  мм, производительность при обработке твердого сплава 10 -
50  мм3/мин.  Ультразвуковая  очистка  металлических  деталей  и
заготовок  широко  применяется  с  использованием  водных моющих
растворов на основе фосфатов.
 3. Анодно-механическая резка материалов.
 Обработка  осуществляется вращающимся диском при напряжении на
электродах  20-15 В, давление 1-4 кгс/см2, скорость резания 2-12
мм/мин.  Диаметры  катодов-дисков 250-500 мм и толщину 0,6 - 1,5
мм  выбирают  в  зависимости  от  размеров  разрезаемых деталей.
Материалы  разрезаемых  заготовок:  жаропрочные,  нержавеющие  и
инструментальные стали.
 4. Электромеханическая размерная обработка.
 Сущность  метода  состоит  в  анодном  растворении металла при
высоких  плотностях  тока  в  электролитическом  растворе. Метод
весьма дорогой и применяется при необходимости получить сложные,
ажурные   детали,   которые   нельзя   подвергать   механических
воздействиям. Метод ещё называют электрохимическое фрезерование.
Плотность тока достигает сотен ампер на см2.
 5. Лазерная обработка.
 Сущность   метода  состоит  в  воздействии  пучком  фотонов  и
испарении обрабатываемого материала. Лазерная обработка все шире
применяется    в   промышленности.   Лазерная   резка   лазерами
импульсного  или  непрерывного  действия  применяется  для резки
тонколистового  металла,  пленок  на  диэлектрических подложках,
резки полупроводниковых материалов. Лазерная сварка обеспечивает
глубину  зоны  проплавления 0,3 -1 мм для меди, никеля при длине
волны  1,06 мкм, длительность импульса 4 мкс, диаметре светового
пятна  0,5 мм, энергии излучения 3-9 джоулей. Лазерная обработка
применяется    при    подгонке    пленочных    металлических   и
металлокерамических   резисторов   в   процессе   функциональной
настройке  микросхем.  Точность  такой  обработки 2-5%. Лазерная
обработка применяется для упрочнения стальных деталей.
 Лазерная  пайка применяется при изготовлении электронных схем.
И многое, многое другое.