3.3. Формование порошка в пресс-формах

3.3.1. Общие положения

Схема простейшей пресс-формы приведена на рис. 3.11.

При заполнении формы порошком, даже до приложения давления, поверхностные слои порошковых частиц испытывают контактную нагрузку, причем эта нагрузка может быть значительной в силу малости начальных поверхностей соприкосновения. Сущность процесса прессования порошка заключается в уменьшении его начального объема обжатием. Объем порошкового тела при прессовании уменьшается в результате заполнения пустот между частицами за счет их смещения и пластической деформации. На рис. 3.12 показана модель процесса прессования с помощью круглых резиновых шайб. При свободной засыпке между шайбами сохраняются пустоты, образованные арочным эффектом. Приложение некоторого давления приводит к заполнению пустот без деформации самих шайб. Дальнейшее повышение давление приведет к деформации частиц в случае пластичного исходного материала. Если материал хрупок, то деформация проявляется в разрушении и дроблении выступов частиц.

Рис. 3.11. Схема простейшей пресс-формы: 1 – пуансон верхний; 2 – матрица; 3 – прессуемый порошок, 4 – пуансон нижний	Рис. 3.12. Последовательные стадии прессования (1-3) порошков пластичных металлов

Прессование порошка начинается с перегруппировки частиц при небольших давлениях (меньше, чем 0,03 МПа). Пластичные частицы деформируются при давлениях порядка 100 МПа и уже заметно меняют свою форму. Более твердые, но пластичные частицы прессуются при очень высоких давлениях (1000 МПа). Такие давления требуются для легированных порошков с высокой прочностью и твердостью (нержавеющие и инструментальные стали, магнитные сплавы, композиционные материалы). При прессовании твердые и хрупкие частицы обычно дополнительно фрагментируются (измельчаются). Чем мельче частицы, тем они тверже из-за упрочнения при прессовании и соответственно, тем большие давления требуются для их уплотнения.

Идеализированная кривая уплотнения пластичных порошков показана на рис. 3.13. На кривой имеется три характерных участка. На первой стадии процесса наблюдается наиболее интенсивное уплотнение, связанное с перераспределением и более плотной упаковкой частиц. Вторая стадия процесса характерна тем, что максимально плотно упакованные частицы оказывают определенное сопротивление сжатию, давление прессования возрастает, а плотность некоторое время не увеличивается. Наконец, когда давление прессования превысит сопротивление частиц порошка сжатию, начнется их пластическая деформация, и плотность будет возрастать.

Рис. 3.13. Идеализированная кривая процесса уплотнения

порошков пластичных металлов

На практике происходит взаимное наложение указанных стадий уплотнения, протекающих одновременно, поэтому на реальной кривой уплотнения обычно нет явно выраженного горизонтального участка. Можно считать, что на первой стадии уплотнения происходит преимущественно перемещение частиц, а на последней стадии преимущественно деформация. Чем пластичнее порошок, тем при более низких давлениях начнется уплотнение за счет деформации частиц.

В объеме прессовки всегда наблюдается неоднородная плотность, которая объясняется наличием внешнего трения порошка о поверхность элементов пресс-формы и затратой усилий прессования на его преодоление. Обращает на себя внимание повышенная плотность центральной зоны брикета. Это связано с выдавливанием порошка из углов полости матрицы в направлении результирующей сил трения порошка о стенки матрицы и торцовую поверхность пуансона. Повышение плотности средней части брикета также связано с формой и направлением очага деформации при приложении давления к порошку.

При двустороннем прессовании, когда давление прикладывается одновременно сверху и снизу, более плотными являются верхняя и нижняя части брикета. В середине брикета образуется зона пониженной плотности (нейтральная зона). Неоднородная плотность брикета является существенным недостатком процесса формования порошков в пресс-формах, поскольку может привести к искажению формы и размеров брикетов после спекания.

Размер частиц порошка – важный фактор, оказывающий влияние на плотность. Чем мельче частицы, тем меньше плотность упаковки и тем быстрее растет сопротивление частиц уплотнению, что затрудняет их прессование. В качестве примера можно привести следующие экспериментальные данные, полученные при прессовании алюминиевого порошка при давлении 175 МПа: частицы 3 мкм – плотность 84 %; частицы 20 мкм – плотность 92 %; частицы 95 мкм – плотность 94 %. Некоторые нанопорошки прессуются при давлениях до 4,5 GПа, при этом относительная плотность не превышает 5-6 % от теоретической.

Трудно прессуются пористые (губчатые) порошки, т. к. мелкие внутренние поры сопротивляются уплотнению. Например, округлый, плотный порошок железа, полученный распылением водой, при давлении 700МПа дает плотность 90 %, тогда как губчатый восстановленный железный порошок, прессованный при таком же давлении имеет плотность 84 %. Мелкие и пористые порошки после прессования проявляют более высокую склонность к упругому последействию, что часто приводит к появлению расслоений и трещин.

Зависимость плотности брикетов от давления прессования

Влияние давления на плотность прессовки детально изучал М.Ю. Бальшин, установивший следующие зависимости:

Ig p = - L(β – 1) + Igp_max, (3.8)

Ig p = m Ig β + Igp_max, (3.9)

Ig p = m Ig v + Igp_max, (3.10)

где р – приложенное давление прессования; p_max – давление прессования, необходимое для получения прессовки с плотностью 100 %; β – относительный объем прессовки, v – относительная плотность прессовки; L – фактор прессования; m – показатель прессования. L и m являются постоянными величинами для данного порошка и определяются природой прессуемого материала.

На рис. 3.14 показана логарифмическая диаграмма прессования. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс численно равен показателю прессования m, а отрезок, отсекаемый прямой от оси ординат, равен логарифму максимального давления прессования p_max.

На практике часто наблюдаются отклонения от прямолинейной зависимости lg β от lg р. Описанный подход к выявлению зависимости плотности прессовок от давления прессования основывался на введении ряда упрощений для получения простого уравнения, обеспечивающего удовлетворительную для практики точность расчетов. Существуют и более строгие решения, базирующиеся на учете контактных явлений, имеющих место при взаимодействии частиц. Например, Г.К. Жданович теоретически и экспериментально доказал, что достаточно точно идеальный процесс прессования (без учета внешнего трения) можно описать интерполяционной формулой:

р = р_к (vⁿ – v_oⁿ) / (1 - v_oⁿ) = р_к (β_oⁿ – βⁿ) / [βⁿ (β_oⁿ – 1)], (3.11)

Рис. 3.14. Расчетная диаграмма прессования

Показатель степени n учитывает все основные факторы (механические свойства материала порошка, коэффициент межчастичного трения, относительную плотность засыпки). Его среднее значение ориентировочно определяется по формуле n = 1 + 2/П_о, где П_о – пористость порошка в состоянии засыпки.

В зарубежной литературе плотность прессовки β в зависимости от плотности засыпки β _o и давления прессования р определяют по формуле:

β = 1 – (1 - β _o) ехр (В - Ө р), (3.12)

где В ‑ численный коэффициент, учитывающий перегруппировку частиц; Ө ‑ константа для данного порошка. Численные значения В и Ө определяют экспериментально.

В табл. 3.1 приводятся характеристики прессовании для наиболее применяемых в технике порошков (зарубежные данные)

Таблица 3.1

Давление прессования для некоторых порошков

Материал	Средний размер частиц, мкм	Давление прессования, МПа	Плотность прессовки, % от теоретической
Оксид алюминия Алюминий Латунь Бронза Карбиды Ферриты Железо Нержавеющая сталь Тантал Вольфрам Карбид вольфрама	0,5 (агломерат) 45 65 85 1,5 (агломерат) 0,3 (агломерат) 80 – 120 65 1 1 – 5 1 (агломерат)	110 – 140 150 – 275 400 – 700 200 – 300 140 – 400 110 – 165 480 – 820 700 – 840 70 – 140 240 – 500 200 ‑ 350	45 – 65 90 – 95 85 – 90 85 – 90 45 – 55 45 – 50 85 – 92 85 ‑ 88 30 – 40 55 – 60 60 ‑ 62

Интересно отметить, что очень твердые и очень мягкие частицы прессуются при низких давлениях.

На рис. 3.15 сопоставляется относительная плотность прессовок из порошков некоторых металлов по мере увеличения давления прессования. При высоких давлениях прессования относительная плотность пластичных порошков (порошки с низкой твердостью) приближается к 1.

Рис. 3.15. Относительная плотность прессовок из порошков

разных металлов в зависимости от давления прессования:

1 ‑ алюминий (H_V = 15);

2 – медь (H_V = 50);

3 – железо ‑ (H_V = 75);

4 – нержавеющая сталь (H_V = 200);

5 – вольфрам (H_V = 400)

На рис. 3.16 показано изменение относительной плотности, координационного числа и поверхности контакта между частицами для сферических порошков бронзы с увеличением давления прессования. Своеобразную форму приобретает сферическая частица при достижении полной (теоретической) плотности прессовки (рис. 3.17). Она представляет собой многогранник с 14 гранями (8 гексагональных и 6 квадратных), что соответствует координационному числу 14. Этот многогранник содержит 36 ребер и 24 угла.

Рис. 3.16. Относительная плотность,

координационное число и поверхность контакта в

зависимости от давления прессования

(сферические порошки бронзы)

Рис. 3.17. Модель деформированной сферической частицы при

теоретической плотности прессовки

Боковое давление и градиент плотности

Частицы порошка при прессовании движутся не только в направлении приложения давления, но и в перпендикулярном направлении, создавая давление на стенки формы. Такое давление называют боковым. Степень сжатия порошка во взаимно перпендикулярных направлениях неодинакова. Боковое давление гораздо меньше осевого из-за межчастичного трения и других факторов, препятствующих перемещению частиц от оси пресс-формы к ее стенкам. Отношение бокового давления р_б к давлению прессования р называют коэффициентом бокового давления ξ.

ξ = р_б/ р < 1. (3.13)

Величина коэффициента бокового давления существенно зависит от природы материала порошка и плотности прессовки. Обычно она составляет 0,2-0,5, причем, чем пластичнее материал, тем выше коэффициент ξ. Для вольфрама ξ = 0,2, для железа 0,39, для меди 0,54, для свинца 0,79.

В зарубежных исследованиях большое внимание уделяется изучению неоднородной плотности прессовок, поскольку градиент плотности является причиной коробления спеченных изделий и неоднородности их свойств. Рассмотрим цилиндрический порошковый компакт диаметром D и высотой h, показанный на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Баланс сил при прессовании

В тонком сечении dh давление по вертикали будет изменяться: в верхней части Р_Т, а в нижней Р_В, причем Р_Т > Р_В. Баланс сил выражается так:

ΣF = S(Р_В - Р_Т) + uF _Н = 0, (3.14)

где F_Н – нормальная реакция, u – коэффициент трения между порошком и стенкой формы, S – площадь поперечного сечения.

Нормальную реакцию можно выразить через приложенное давление и коэффициент пропорциональности z,

F_Н = πz Р_Т dh . (3.15)

При прессовании на стенку формы действует сила:

F_С = uπz Р_Т D dh . (3.16)

На основании (3.14 - 3.16) можно записать:

dP = Р_Т - Р_В = - F_C/S = - 4 uzР_Т dh/D. (3.17)

После интегрирования получаем формулу для определения давления на любом уровне х по высоте брикета:

Р(х) = Р ехр (- 4uzх / D) (3.18)

где Р – давление на торце пуансона. Уравнение (3.18) описывает изменение давления по высоте прессовки при одностороннем прессовании. Конкретный пример градиента давления показан на рис. 3.19 для порошка меди.

Рис. 3.19. Трансформированное давление в прессовке

медного порошка на разных уровнях высоты

Увеличение коэффициента трения u приводит к быстрому снижению давления по высоте прессовки. Более однородным давление становится при низких прессовках с большими диаметрами.

Для одностороннего прессования среднее давление прессования можно рассчитать по формуле:

Р_М = Р(1 - 2uzh/D) . (3.19)

Для двустороннего прессования:

Р_М = Р (1 - uzh/D). (3.20)

Очевидно, что среднее давление в брикете Р_М всегда меньше приложенного давления Р и зависит от трех основных факторов: геометрического фактора h/D; коэффициента z, представляющего собой отношение радиальных к осевым напряжениям в горизонтальном сечении брикета; коэффициента трения u.

Высокое давление Р_М можно эффективно реализовать только в низких брикетах большого диаметра. Поэтому способом прессования в пресс-формах обычно получают небольшие по высоте изделия.

Трение, давление выталкивания и упругое последействие

Внешнее трение прессуемого порошка о стенки внутренней полости пресс-формы может быть весьма значительным. Долю общего давления ΔР , потребную для преодоления внешнего трения в цилиндрической пресс-форме, можно оценить по соотношению:

ΔР/P = fξрπDh / p(πD²/4) = 4fξ h/D, (3.21)

где Р – общее давление прессования; f – коэффициент трения порошка о стенки пресс-формы; ξ – коэффициент бокового давления; h и D – высота и диаметр прессовки соответственно.

Внешнее трение определяет усилие, которое необходимо приложить для выталкивания из пресс-формы сформированной прессовки. Соответствующее этому усилию давление называют давлением выталкивания. Величина давления выталкивания учитывается при расчете и конструировании прессового инструмента. Давление выталкивания зависит в основном от давления прессования и коэффициента внешнего трения. Обычно давление выталкивания составляет 0,2 – 0,35 от давления прессования и оно тем больше, чем выше прессовка и меньше площадь ее поперечного сечения.

После выталкивания прессовки происходит увеличение ее размеров. Это связано с действием упругих сил после снятия давления и представляет собой суммарный результат упругих деформаций громадного числа порошковых частиц. Такое явление называют упругим последействием. Величина упругих деформаций на отдельных контактах частиц различна и частицы могут перемещаться в объеме прессовки произвольно. Это позволяет несколько повысить плотность прессовки путем ее выдержки под давлением. Рекомендуемая продолжительность такой выдержки от нескольких секунд до трех минут.

Упругое последействие проявляется следующим образом. Сначала, в момент снятия давления, мгновенно происходит основная часть упругого расширения, затем, на протяжении длительного времени, упругое расширение прессовки продолжается. С учетом этой особенности упругого последействия рекомендуется сокращать срок хранения прессовок перед спеканием для повышения точности размеров спеченных изделий. Величина упругого последействия зависит от свойств прессуемого порошка (свойства материала, форма и дисперсность частиц, содержание примесей и др.), давления прессования, наличия и количества смазки, упругих свойств прессового инструмента и других факторов. Относительное изменение линейных размеров прессовки в результате упругого последействия определяют по формуле:

δ_l = (Δl/l) 100 = [(l₁ – l_o) / l_o] 100 %, (3.22)

где Δl – абсолютное расширение брикета по длине или диаметру; l_o – длина (диаметр) брикета, находящегося в пресс-форме; l₁ – длина (диаметр) брикета после выпрессовывания из пресс-формы.

Аналогично определяют объемную величину упругого последействия

δ_V = (ΔV/V) 100 = [(V₁ – V_o) / V_o] 100 % . (3.23)

Эффект упругого последействия по высоте брикета 5 – 6 %, а по диаметру 1 – 3 %. Такая разница определяется более высоким осевым давлением прессования в сравнении с боковым давлением и упругой деформацией самой матрицы по высоте.

В результате упругого последействия на контактных участках снимаются напряжения и могут возникать разрывы контактов между частицами. Такие разрывы на большом протяжении часто приводят к расслоению, появлению трещин, а иногда и к разрушению прессовки. Величина упругого расширения брикета зависит от взаимодействия двух факторов – упругого последействия и прочности. С уменьшением прочности брикета (из-за высокой твердости частиц порошка, наличия оксидов, малой шероховатости частиц и др.) упругое расширение возрастает. При одинаковом давлении прессования у брикетов из хрупких и твердых порошков упругое последействие больше, чем у брикетов из пластичных и мягких порошков. Это объясняют более низкой прочностью хрупких и твердых брикетов, что повышает роль упругой деформации.

Прочность прессовок и брак при прессовании

Прочность прессованного брикета формируется связующей добавкой или контактом (сцеплением) частиц. Если частицы мягкие, то они в результате смятия и схватывания образуют при деформации контакты. Порошки с загрязненной поверхностью требуют применения более высоких давлений прессования для разрушения поверхностных пленок. Прочность порошкового тела после холодного прессования называют сырой прочностью. Обычно эта прочность, измеренная при изгибе, не превышает 20 МПа. При прессовании частиц неправильной формы наблюдается более высокая сырая прочность прессовок. Например, прессовки из порошка меди с размером частиц 50 мкм при давлении прессования 400МПа имеют сырую прочность 5 МПа (сферические частицы) и 35 МПа (частицы с неправильной формой). Однако между частицами после холодного прессования нет прочной связи, т. к. имеет место только механическое сцепление шероховатых поверхностей. Только после спекания достигается необходимая прочность.

Сырая прочность зависит от координационного числа, размера контакта и количества контактов. В процессе компактирования координационное число возрастает, т. к. нагрузка распределяется на все большее количество частиц. Перед прессованием типичное значение координационного числа 4 – 6. В конце прессования, при достижении теоретической плотности, координационное число равно 14. Если прочность компактных литых металлов растет с повышением твердости, то прочность прессовок, наоборот, снижается по мере роста твердости и снижения пластичности порошковых частиц. Например, в ряду вольфрам, железо, медь, олово прочность компактного металла снижается от вольфрама к олову, а у прессовок из порошков она растет.

Типичный вид брака при прессовании это поперечные трещины, возникающие в местах расслоения прессовок. Появление таких трещин связано с тем, что при выталкивании прессовки из формы происходит расширение прессовки (упругое последействие). Сопутствующие деформации могут приводить к возникновению трещин, как это показано на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Схема возникновения трещин при

выталкивании прессовки из формы

Способствуют появлению трещин факторы, снижающие прочность прессовок: применение порошков с гладкой поверхностью, заметное окисление и наклеп частиц порошка, излишнее количество пластификатора или смазки в порошковой смеси и др. Кроме того, высокие давления прессования, неоднородность состава порошковой смеси, неравномерный сброс давления и слишком медленное выпрессовывание заготовки, также могут служить причиной возникновения трещин. Иногда брак прессовок (трещины, риски, отклонения по размерам и др.) вызваны неправильной конструкцией пресс-форм. Например, деформация матрицы при прессовании может быть причиной образования трещин.

При появлении брака необходимо выявить его причины и принять соответствующие меры для его устранения. Обычно брак при прессовании составляет менее 3 %. Бракованные прессовки возвращают в производство: измельчают и полученный порошок небольшими порциями (до 10 %) подмешивают к исходному материалу в тех случаях, когда у готовых порошковых изделий допускается некоторое снижение механических свойств.