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