Тема 11. Методи формування порошків.

11.1. Методи формування порошків

В порошковій металургії успішно застосовуються такі методи формування порошкових сумішей:

1. Ізостатичне та гідростатичне пресування (ГП).

Процес пресування виробів пов’язаний з рядом труднощів:

- обмеження маси і розмірів через необхідність використання пресів високої потужності;

- недостатня якість великих виробів спресованих, в сталевих прес-формах.

Одним із ефективних способів подолання цих перешкод є застосування ізостатичного пресування, що являє собою пресування порошку в еластичній оболонці під дією всебічного стиску. Різновидом такого процесу є гідростатичне пресування (рис 11.1). Його суть полягає в тому, що порошок засипають в еластичну (наприклад резинову) оболонку й розміщують в робочій камері апарата, надалі в ній створюють тиск, рідина (масло, вода, гліцерин, і. т.д.) всебічно й рівномірно стискає порошок, формуючи виріб.

Переваги:

- втрати тиску на тертя частинок в стінки оболонки майже відсутні;

- коефіцієнт бічного тиску приблизно рівний одиниці ;

- однорідна точність брикету при не значній пористості в середині;

- знешкодження анізотропної структури;

- можливість отримання виробів складної форми.

Гідростатичне пресування проводять в резинових або інших оболонках товщиною 0.1-0.05мм. (товщина відповідно вимог міцності, зносостійкості і ін.).

Для забезпечення рівномірної щільності гільзу (металевий циліндр обхватує еластичну оболонку) піддають віброобробці. При цьому виді пресування повітря (газ) не має виходу з герметично закритої оболонки, тому проводять попередню дегазацію (вакуумування порошку). ГП отримують циліндри, труби, кулі й інші вироби простої та досить складної форми масою від декількох сотень кілограм.

Другим варіантом формування при всебічному обтисканні є ізостатичне пресування під дією газу (гелію, аргону, і ін.), що називають газостатичним.

Третім варіантом ізостатичного пресування є пресування в еластичних оболонках, розташованих в прес-формах і підданих односторонньому чи двосторонньому стиску (рис. 11.2).

Вимоги до матеріалу оболонки:

- здатність набувати й зберігати певну форму відповідно до форми виробу;

- поводити себе подібно до рідини;

- достатня пружність;

- відсутність склеювання і схоплювання із порошком;

- довговічність та дешевизна;

- багаторазовість використання.

Оболонки виготовляють із парафіну, воску, епоксидних смол й резинової маси із натурального каучуку, що є найбільш ефективною (ресурс до 1000 брикетів).

Недоліки:

- важко витримувати розміри брикетів близькими до заданих;

- необхідність використання механічної обробки при виготовленні точних деталей.

2. Шлікерне формування.

Шлікерне формування (лиття) це прийом, що дозволяє проводити формування без прикладання зовнішнього тиску шляхом заливки шлікера, який є однорідною концентрованою сумішшю порошку в рідин, в пористу форму з подальшою сушкою. Переважно шлікером наповнюють суху гіпсову форму, де частина рідини всмоктується, а надалі підсохлий виливок дістають й піддають кінцевій сушці та спіканню.

Вихідний матеріал для форм – гіпс обпалений, папір, кераміка, метал.

Умови формування виробів залежать від: їх розмірів; складності форми; властивостей; гранулометричного складу матеріалів.

Залежно від товщини стінок виробу й інших факторів тривалість процесу формування складає 1-60хв.

Окрім порошку в шлікер входять:

- дисперсійне середовище (вода, спирти, чотирьоххлористий вуглець та ін.);

- домішки – де дефлокулянти, що покращують змочування (соляна та оцтова кислоти, луги (КОН, NaOH), хлористе залізо тощо).

Різновиди лікерного формування:

- формування під вакуумом;

- формування під тиском (декілька атмосфер);

- центробіжне формування – для кільцеподібних деталей;

- формування в неадсорбованих формах із виморожуванням рідини.

Цим методом виготовляють труби і вироби сферичної складної форми, які важко отримати традиційними методами.

3. Мундштукове пресування.

Мундштукове пресування – це формування заготовок із суміші порошку та пластифікатора шляхом продавлювання їх через отвір матриці (рис. 11.3).

Як пластифікатори застосовують парафін, крохмаль і інші сполуки, що займають приблизно 6 – 10 %.

Заготовки попередньо нагрівають; пористість після видавлювання близька до нуля. Цим методом отримують прутки, труби, кутники й інші довгі вироби із важкопресованих металів (тугоплавкі метали, тверді сплави, кермети).

Швидкість видавлювання через мундштук не повинна перевищувати 5- 10 мм/с. Такі метали, як берилій, титан, уран, торій, цирконій при гарячій обробці значно окислюються, що викликає необхідність застосування захисних середовищ при нагріві (захисні атмосфери в соляних ваннах), а також захисних скляних, металевих чи графітних оболонок при пересуванні, які повинні володіти хорошими мастильними характеристиками, бути пластичними й інертними до матеріалу порошку.

Для пересування в оболонках найчастіше використовують метод прямої течії через конічну матрицю з використанням проміжних вставок із графіту, чи міді, що знижують втрати на утворення прес-залишку.

4. Вібраційне формування.

Застосування вібрації при засипанні або ущільнені порошку в прес-формі або в процесі формування дозволяє значно зменшити тиск пресування і підвищити рівномірність щільності в деталях складної форми. Це пов’язано з руйнуванням початкових міжчасткових зв’язків (зокрема, арок) й покращенням взаєморухливості часток, в результаті чого досягається висока щільність їх упаковки (95% від теоретично можливої для даного гранулометричного складу порошку). Найбільш ефективно вібрація діє при ущільнені різнофракційних порошків, а також малопластичних матеріалів (наприклад карбідів, боридів, металів).

Способи вібраційного формування:

1. За характером динамічного впливу на прес-матеріал:

- вібраційне формування;

- віброударне формування;

2. За співвідношенням статичної й динамічної складових зусилля пресування:

- вібраційне пресування, коли сили тертя між частками перешкоджають їх відносному переміщенню під дією вібрації;

- вібраційне вкладання, коли частки переборюють сили тертя й зчеплення та заповнюють пустоти.

3. За характером процесу:

- дискретне (перервне) в закритому прес-інструменті;

- неперервне (в мундштукових пресах, установках шлікерного лиття).

4. За циклограмою процесу:

- із попереднім вібраційним ущільненням й наступним статичним пресуванням;

- із вібраційним або віброударним впливом на формувальний порошок упродовж всього процесу пресування без витримки під тиском;

- із вібраційним або віброударним впливом на порошок упродовж всього циклу пресування, включаючи витримку під тиском.

Існують найрізноманітніші варіанти вібраційного формування й схеми активності елементів прес-інструментів, зокрема за способом передачі енергії вібрації порошку від елементів, з’єднаних із вібратором (рис.6.4):

- нерухома (рис.11.4,а) й „плаваюча” опора матриці;

- жорстке (рис.11.4,в) й пружне з’єднання вібратора із матрицею та пуансоном;

- один чи два пресуючих пуансони;

- жорстка і пружна (рис.11.4,б) передача зусилля пресування на верхній пуансон.

Вібратори можуть бути пневматичні, гідравлічні, електромагнітні, магнітострикційні, електромеханічні і ін. Для порошків різних матеріалів статичний тиск, прикладений одночасно з вібрацією, переважно складає 0,5 – 5МПа, а його відсутність може призвести не до ущільнення а розрихлення порошку. Ущільнення порошку відбувається швидко, в основному в перші декілька секунд і залежить від форми часток (простіші – краще) й гранулометричного складу (однакові – гірше). Із зменшенням розмірів необхідно вибирати більш високу віброчастоту та навантаження на порошок, що повинна зростати пропорційно із збільшенням шорсткості поверхні й зменшенням правильності часток. При правильному виборі параметрів процесу й мастила щільність брикетів віброоброблених вища за спресовані