Формование – технологическая операция придания заготовкам из порошкового материала заданной формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующей обработки. Формование реализуется путем обжатия, приводящего к уменьшению объема и консолидации порошка. Уплотнение порошка обеспечивается прессованием в металлических пресс-формах, воздействием жидкостью или газом, шликерным формованием и другими методами.
Процессу формования предшествует подготовка порошков, включающая следующие основные операции: отжиг, рассев и смешивание. При отжиге порошка снимается наклеп в приповерхностных слоях частиц и происходит восстановление окислов, оставшихся при изготовлении порошка или образовавшихся при его хранении. Нагрев осуществляется в защитной, восстановительной или инертной среде при гомологической температуре 0,4…0,6 от температуры плавления.
После отжига порошки классификацируют, т.е. разделяют порошок по величине частиц на фракции. Порошки некоторых фракций могут оказаться непригодными для использования, поэтому они подвергаются укрупнению (мелкая фракция) или размолу (крупная фракция).
Смешивание порошков – одна из ответственных операций порошковой металлургии. При смешивании необходимо строго выдерживать химический и фракционный состав, а также однородность смеси. Смешивание производится на специальном оборудовании – смесителях, отличающихся широким разнообразием конструктивных решений.
Простейшим и наиболее распространенным способом формования является прессование (рис. 5.2).
Наиболее интенсивное уплотнение происходит на первой стадии процесса (рис. 5.3), связанной с перераспределением частиц и их более плотной упаковкой под действием прикладываемых внешних сил. Вторая стадия процесса характеризуется тем, что частицы порошка, упакованные максимально плотно, оказывают определенное сопротивление сжатию, давление возрастает, а плотность при этом стабилизируется. На графике это отмечено горизонтальным участком кривой.
Когда давление прессования превысит сопротивление сжатию частиц порошка, начинается их пластическая деформация, и процесс уплотнения вступает в третью стадию. С этого момента пластическая деформация охватывает весь объем каждой частицы, смещение контактов фактически прекращается, и они фиксируются.
На практике в процессе прессования происходит взаимное наложение указанных стадий уплотнения, так как они протекают одновременно. В связи с этим реальная кривая уплотнения является более монотонной без выраженного горизонтального участка. Между относительной плотностью брикета и давлением прессования существует следующая зависимость:
, (5.1)
где р – приложенное давление прессования; рmax – давление прессования, обеспечивающее получение беспористой прессовки; q – относительная плотность прессовки; m – показатель, зависящий от природы прессуемого материала.
Показатель прессования может быть ориентировочно рассчитан по формуле:
, (5.2)
где q0 – относительная плотность исходного порошка.
Порошок, засыпанный в пресс-форму, во время прессования в известной степени ведет себя аналогично жидкости и стремится растекаться в стороны, в результате чего возникает давление на стенки пресс-формы, которое называют боковым. Однако в отличие от жидкости в порошке не соблюдается закон гидростатического давления, т.е. происходит неравномерное распределение давления во всех направлениях. В результате, степень сжатия порошка в различных сечениях неодинакова, а на боковые стенки пресс-формы передается значительно меньшее давление, чем в направлении прессования, в основном из-за трения между частицами, заклинивания и других факторов, затрудняющих перемещение частиц в стороны.
Давление прессования в любом горизонтальном сечении брикета можно определить из выражения:
, (5.3)
где р – давление на торце брикета под прессующим пуансоном; f – коэффициент трения частиц порошка о стенки пресс-формы; x – коэффициент бокового давления; h – расстояние сечения от торца брикета; D – диаметр брикета.
Коэффициент бокового давления определяется из выражения:
, (5.4)
где n – коэффициент Пуассона.
Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру, меньшим единицы, и заготовки втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки, меньшим трех.
Двухстороннее прессование (рис. 5.4) применяют для формообразования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности прессовки снижается на 30…40 %. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить требуемое давление.
При горячем прессовании технологически совмещают формообразование и спекание заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6…0,8 от температуры плавления порошка. Благодаря нагреву уплотнение протекает гораздо интенсивнее, чем при обычном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот способ применяют также для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды и т.п.). Нагрев при горячем прессовании осуществляется индукционным или электрическим способом.
Основная сложность горячего прессования заключается в выборе материала пресс-формы, который должен иметь достаточную прочность при температурах прессования и не вступать в реакцию с прессуемым порошком. При температурах прессо
вания 500…600 оС пресс-формы изготавливаются из жаропрочных сталей на основе никеля, при температурах 800…900 оС – из твердого сплава. При более высоких температурах прессования (до 2500…2600оС ) единственным материалом для пресс-форм является графит.
Изостатическое формование применяют для получения крупногабаритных заготовок массой до 500 кг и более. В настоящее время широкое распространение получили три вида изостатического прессования: гидростатическое, формование в эластичной толстостенной оболочке и горячее изостатическое формование.
При гидростатическом формовании на порошок, заключенный в эластичную оболочку, передается давление с помощью жидкости, находящейся в сосуде высокого давления. В качестве рабочей жидкости используют масло, глицерин, воду и т.д. Формование с помощью эластичной оболочки, вставленной в стальную пресс-форму, применяют для получения крупногабаритных заготовок труб. Оболочка изолирует порошок от стенок инструмента и является средой, которая передает давление на прессуемое изделие. В качестве материала для оболочек используют парафины, воск, резину и т.д. Горячее изостатическое формование позволяет технологически совместить формование и спекание. В качестве среды, передающей давление, применяют инертный газ, расплавленный металл или стекло. Прессуемую заготовку помещают в эластичную металлическую оболочку.
Прокатка является одним из наиболее производительных и перспективных способов переработки порошковых материалов. Характерной особенностью этого процесса является высокая степень автоматизации и непрерывность (рис. 5.5)
Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Прокатка может быть совмещена со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке для получения листов заданных размеров. Ленты, идущие на изготовление фильтров и антифрикционных деталей, большей частью не подвергаются дополнительной прокатке.
Способом выдавливания изготавливают прутки, трубки и профили различного сечения. Сущность получения заготовки заключается в выдавливании порошка через калибровочное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор массой до 10…12 % от массы порошка, облегчающий соединение частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготавливаемой детали зависит от формы калибровочного отверстия пресс-формы. Полые профили получают путем применения рассекателя. В качестве оборудования используют механические и гидравлические прессы.