Тема 10. Процеси, що відбуваються при пресуванні.

Пресування являє собою формування металевого порошку в прес-формі під дією тиску. Вже при насипанні порошку у форму поверхневі шари частинок сприймають контактне навантаження, у зв`язку з цим дійсні величини контактних тисків досягають таких значень, при яких виникають пластичні деформації, або місцеві руйнування.

Під контактною поверхнею розуміють ту частину загальної зовнішньої поверхні всіх частинок порошку, яка характеризується дотиканням частинок між собою і через яку передається напруження. Контактна поверхня може бути визначена візуально після руйнування зразка по відбитках на частинках, або шляхом вимірювання електричного опору.

Сутність процесу пресування порошку полягає в зменшенні його початкового об`єму при прикладанні тиску. Об`єм порошкового тіла при пресуванні змінюється в результаті заповнення пустот між частинками за рахунок їх зміщення, пластичної деформації.

Основними процесами при цьому є:

1. Залежність густини пресовки від тиску пресування.

При пресуванні часто спостерігається неоднорідний розподіл густини за об`ємом, як в осьовому, так і в радіальному напрямі, що обумовлене затратою зусилля пресування на подолання зовнішнього тертя порошку в елементи прес-форми. Тертя між частинками порошку не викликає появу градієнта густини по об`єму брикету. Нерівномірна густина може мати прямий вплив на спотворення форми і розмірів брикету при спіканні, а також зумовити небажану зміну властивостей спеченого виробу.

Залежність густини пресовки від тиску пресування можна представити рівняннями виду:

lg p = -L (β-1) + lg pmax ,

lg p = -m lg β + lg pmax ,

lg p = m lg ν + lg pmax,

де: р - прикладений тиск пресування; рmax- тиск пресування, при якому утворюється безпориста пресовка; L, m – сталі, які враховують природу матеріалу порошку й називаються відповідно фактором і показником пресування; β i ν - відносний об`єм й відносна густина пресовки.

Величина m характеризує властивості порошку й визначається дослідним шляхом, або орієнтовно:

m = 2 + ν / Δ ν , Δ ν = ν – ν₀,

де: ν0 - відносна густина вихідного порошкового тіла до прикладання навантаження до нього.

Для будь-яких металевих порошків m>3.

2. Бічний тиск.

Порошок в прес-формі під час ущільнення проводить себе аналогічно рідині і намагається розтікатись в сторони, в результаті чого виникає тиск на стінки прес-форми, який і називається бічним тиском. Але на відміну від рідини, яка рівномірно передає прикладений до неї тиск у всіх напрямках, в порошку спостерігається значна нерівномірність його розподілу. В результаті ступінь стискання порошку в різних січеннях не однаковий, а на бічні стінки прес-форми передається значно менший тиск, ніж в напрямку пресування. Це відбувається в основному через тертя між частинками, заклинювання та інших факторів, які ускладнюють переміщення частинок в сторону. В зв`язку із цим важливою величиною є твердий коефіцієнт бічного тиску, який являє собою відношення бічного (горизонтального) тиску до тиску пресування:

Кб = р_г / р.

Його величина складає 0,2-0,5 причому чим пластичніший матеріал, тим коефіцієнт бічного тиску вищий. Коефіцієнт бічного тиску також зростає із збільшенням густини. Бічний тиск зменшується за висотою в брикеті, оскільки сили тертя, які виникають між частинками порошку й стінками прес-форми, зменшують величину осьового тиску пресування.

3. Тертя.

Розрізняють зовнішнє й міжчасткове. Причому лише перше з них призводить до нерівномірного розподілу густини в об`ємі брикету через втрати зусилля пресування на його подолання.

Найважливішим практичним наслідком прояву міжчасткового тертя слід вважати утрудненість течії порошку під прямим кутом до напрямку пресування. В зв`язку з чим неможливо отримати високі густини у відповідних зонах брикету, тому пресування виробів, профіль яких в напрямку пресування змінюється, є ускладненим, а часом і неможливим. В загальному випадку втрати зусиль пресування на зовнішнє тертя залежать від коефіцієнта тертя в парі матеріал брикету-матеріал прес-форми, в схильності до схоплювання в цій парі, якості обробки стінок прес-форми, наявності змащування, а також висоти насипки порошку і діаметру прес-форми.

4. Тиск виштовхування.

Наявність зовнішнього тертя порошку в стінки прес-форми визначає зусилля, що необхідне для виштовхування брикету після його пресування і називається тиском виштовхування. Дуже важливо знати величину тиску виштовхування для вирішення практичних питань пресування порошків, зокрема для правильного розрахунку і конструювання прес-інструменту. Тиск виштовхування пропорційний тиску пресування і залежить від коефіцієнта зовнішнього тертя й коефіцієнта Пуансона порошку, що пресується. Звичайно тиск виштовхування приймають рівним 0,2-0,35 від тиску пресування і він тим більший, чим вищий брикет, що пресується й менша площа його поперечного січення.

Практично тиск виштовхування завжди менший за втрати тиску на тертя порошку в стінки прес-форми, що пов`язано із зміною (збільшенням об`єму) спресованого брикету після зняття тиску в результаті дії внутрішніх напружень, що виникають в процесі ущільнення порошку при пресуванні. Така зміна об`єму викликана в основному збільшенням розміру брикету в напрямку пресування.

5. Пружна післядія.

Явище збільшення розміру пресовки при знятті тиску пресування, а також при випресовуванні брикету із формуючої порожнини прес-форми називається пружною післядією.

У зв`язку із цим доцільно при пресуванні витримувати сформовану заготовку під навантаженням на протязі від декількох секунд до 2-3 хвилин, що приводить до зростання густини брикету.

Основна частина пружного розширення брикету при випресовуванні протікає майже миттєво (в момент виштовхування брикету з матриці), а інша частина вимагає певного часу, аж до кількох днів. По цій причині при виготовленні виробів точних розмірів термін зберігання пресовок перед спіканням не має перевищувати кількох годин.

Відносна зміна лінійних розмірів виробів внаслідок пружної післядії визначається із виразу:

δ1 = (Δl / l) 100 = [(l1 – l0) / l0] 100% ,

де: δ1- величина пружної післядії; Δl - абсолютне розширення брикету за довжиною чи діаметром; l0- довжина (діаметр) брикету, що знаходиться в прес-формі під дією тиску пресування; l1- довжина (діаметр) брикету після зняття тиску пресування або випресовування із прес-форми.

Об`ємна густина пружної післядії визначається за аналогічною залежністю:

δv = (Δv / v) 100 = [(v1 – v0) / v0] 100%.

Ефект пружної післядії по висоті брикету більший, ніж в поперечному напрямку і складає від 5-6% (в порівнянні із 1-3%). Пружна післядія частково знімає напруження на контактних ділянках, що приводить до зменшення їх кількості і сумарної площі. Розрив контактів між частинками може викликати порушення цілісності пресовок, що називається розшаруванням, в тому числі появу тріщин, а інколи й руйнування брикету.

В міру збільшення тиску пресування пружна післядія спочатку зростає (в брикеті відбувається формування й збільшення міжчасткових контактів), а потім знижується, оскільки міцність контактних ділянок спресованого брикету збільшується. Пружна післядія в брикеті із порошків крихких і твердих матеріалів більша, ніж у брикетів із м`яких і пластичних металічних порошків; так як при одному й тому ж тиску пресування міцність пресовки із більш твердих матеріалів менша і для них зростає роль пружної деформації в порівнянні з пластичною.

Застосування при пресуванні змащування дозволяє знизити величину пружної післядії.

6. Пресування зі змащуванням.

Застосування змащування при пресуванні – один із кращих способів зменшення тертя і покращення процесу ущільнення порошку, в результаті чого густина брикету підвищується і забезпечується більш рівномірний розподіл їх по об`єму, коефіцієнт бічного тиску збільшується.

Змащування, що знижує тертя між порошком і стінками матриці прес-форми і не має суттєвого впливу на порошок, отримало назву інертного на відміну від поверхнево-активного змащення, яке впливає на тертя між частинками і викликає руйнування чи полегшує їх деформацію за рахунок адсорбційного зниження міцності.

Для змащування застосовують масла, олеїнову кислоту, полі вініловий спирт, гліцерин, каніфоль, камфору та інші речовини.

Ефект від застосування змащування виражається в зменшенні коефіцієнтів зовнішнього і міжчасткового тертя, зниженні тиску пресування, необхідного для отримання брикету заданої густини і тиску виштовхування; підвищенні рівномірності розподілу густини по об`єму брикету і зменшенні чи запобігання схоплювання в парі брикет-матриця прес-форми, а також збільшенні стійкості прес-форм. Змащування збільшує зусилля, що передається на нижній пуансон при пресуванні.

Найсуттєвіший вплив на процес пресування має поверхнево-активне змащення. Це пояснюється зниженням міцності тонких поверхневих шарів металічних частинок при абсорбуванні на них мастила і проникненні його в тріщини, пори та інші дефекти поверхні, що полегшує деформування й руйнування частинок та сприяє ущільненню.

Порошок, що оброблений активними мастилами, володіє підвищеною стійкістю проти корозії. Однак застосування мастил, особливо поверхнево-активних, зменшує міцність спресованих брикетів і допустиме лише для порошків, брикети яких достатньо міцні.

Порошки твердих та крихких матеріалів пресують із застосуванням клеючих та пластифікуючих добавок (парафін, каучук та інші), які полегшують ковзання і забезпечують склеювання порошку.

Велике значення має спосіб застосування мастил: добавка в порошок, що пресується, змащення стінок прес-форми чи комбіноване застосування цих двох способів.

При виборі мастила враховують його вплив на технологічні властивості порошку (насипну густину й текучість) і на властивості спресованих та спечених виробів.

7. Міцність пресовок.

Міцність пресовок визначається як механічним зачепленням і переплетенням поверхневих виступів та нерівностей частинок порошку, так і дією міжатомних сил зчеплення, ступінь прояву яких зростає із збільшенням контактної площі.

Для порошкових пресовок міцність зростає не із збільшенням твердості (як у компактних матеріалів), а із її зменшенням та ростом пластичності металу, так як з пластичних матеріалів в результаті більш швидкого заповнення контактних мікронерівностей в безпосередній контакт вступає більша кількість атомів суміжних поверхонь, що сприяє прояву атомних сил зчеплення.

Розглядаючи залежність збільшення міцності брикету від тиску пресування, можна виділити 3 етапи: на першому етапі (низькі тиски пресування ) міцність зростає швидше, ніж тиск; на другому етапі (середні тиски) міцність зростає пропорційно тиску; на третьому етапі (високі тиски) міцність зростає повільніше, ніж тиск.

За інших рівних умов на міцність брикетів значний вплив має гранулометричний склад порошку.

Великий вплив на міцність брикетів пресовок здійснює насипна густина порошку γнас, точніше коефіцієнт обтиснення:

К = γпр / γнас.

Чим більший К при даній густині пресовки γпр, тим сильніше обтискання порошку і тим міцніший спресований брикет.

Міцність пресовок залежить від забруднення порошків і при значному вмісті оксидів знижується. Це пояснюється збільшенням твердості поверхні частинок при одночасному зниженні їх пластичності й зменшенні металічної контактної поверхні.

Прийнято характеризувати брикети за міцністю на стиск і на згин, оскільки міцність на розрив невелика.