3.6. Мундштучное формование

Мундштучным формованием (или прессованием) в нашей стране называют продавливание порошка через отверстие, определяющее форму и размеры поперечного сечения порошковой формовки. За рубежом такую технологию обычно называют экструзией. Схема мундштучного формования показана на рис. 3.28. По такой схеме изготавливают обычно прутки, трубы и другие длинномерные изделия из твердых и хрупких материалов, например из тугоплавких соединений, твердых сплавов, керметов на основе оксидов и др. Порошки этих материалов без пластификатора не формуются, поэтому при подготовке порошка к формованию в него обязательно добавляют пластификатор (парафин, раствор каучука в бензине, крахмал, декстрин и др.) в количестве 6-10 %. Конкретный вид пластификатора выбирают с учетом его влияния на процесс последующего спекания и свойства изделия.

Обычно процесс мундштучного формования проводят в две стадии. На первой стадии прессованием уплотняют порошковую смесь с пластификаторм, придавая порошковому телу форму цилиндра. На второй стадии продавливают цилиндр через отверстие в матрице.

На рис. 3.29. показана пресс-форма для мундштучного прессования труб. В обойме 1 с мундштуком переменного сечения 2 установлена звездочка 4 с ввинченной иглой 3. Над обоймой расположена матрица 6, соединенная с ней гайкой 5. Обычно процесс мундштучного формования проводят в две стадии. На первой стадии прессованием уплотняют заготовку, а на второй продавливают заготовку. Предварительно спрессованную порошковую заготовку вставляют в матрицу и продавливают пуансоном 7 через зазор между мундштуком и иглой звездочки. Эту же пресс-форму можно применить и для получения прутков, убрав звездочку с иглой. При формовании труб и прутков небольшого диаметра высота мундштука должна быть в 2,5-4 раза больше диаметра выходного отверстия, называемого очком. Скорость выдавливания материала не должна превышать 10 мм/с. Применение более высоких скоростей может привести к возникновению неравномерной пористости изделий в процессе спекания. Давление мундштучного формования зависит от природы и свойств формуемой порошковой массы и обычно составляет 300 – 600 МПа.

Степень обжатия при выдавливании должна составлять не менее 90 %. Она определяется по формуле:

К = [(S – s)/s] ∙ 100 %, (3.27)

где S – площадь сечения матрицы пресс-формы; s – площадь сечения очка мундштука.

Отформованную заготовку подвергают сушке до конечной влажности 4-6 % и спеканию.

Контрольные вопросы:

1. Опишите процесс мундштучного формования.

2. Каковы особенности выдавливания пластифицированного порошка?

3. Какие порошковые изделия получают способом мундштучного формования?

3.7. Инжекционное формование

Упрощенная схема инжекционного формования (ИФ) показана на рис. 3.30.

Рис. 3.30. Схема инжекционного формования: 1 – бункер с порошком; 2 – контейнер; 3 – шнек; 4 – нагреватель; 5 – форма;

6 – отформованная заготовка

Процесс начинается с приготовления смеси порошка со связующим материалом. Порошковые частицы должны быть мелкими для обеспечения эффективного уплотнения при последующем спекании. Желательно, чтобы средний размер частиц порошка был менее 10 мкм. В качестве связующего материала применяются термопластические составы, состоящие из воска, полимеров, масел, смазок и поверхностно-активных добавок. После первичного смешивания полученная смесь гранулируется и подается из бункера в контейнер формовочной машины. В контейнере размещен вращающийся шнек. Корпус контейнера нагревается. Шнек дополнительно перемешивает смесь и продвигает ее к пресс-форме. За время движения смеси ее полимерная компонента расплавляется и смесь приобретает необходимые для формования свойства. Сжатая шнеком смесь впрыскивается (инжектируется) через калиброванное отверстие в охлаждаемую пресс-форму. После определенной выдержки, в течение которой полимерная связка должна затвердеть, отформованная заготовка извлекается из пресс-формы. Затем полученная заготовка подвергается специальной обработке для удаления из нее следующего материала. В зависимости от состава связки, связка растворяется или вытапливается при тепловой обработке. Полученный порошковый каркас спекают при температуре 0,65-0,70 от температуры плавления металлического порошка. При необходимости спеченная заготовка может подвергаться дополнительному уплотнению, термической и механической обработке.

Несмотря на кажущуюся простоту в действительности ИФ весьма сложный технический процесс. Достаточно отметить, что первый патент на получение изделий способом ИФ появился в 1872 г., но только через сто лет началось его промышленное применение. Наиболее сложной технической проблемой является обеспечение гомогенного состава и оптимальной вязкости смеси. Как уже отмечалось, при ИФ применяются порошки с размером частиц 5-15 мкм. Очевидно, что пустоты между частицами порошка будут иметь размеры порядка 1-3 мкм. Необходимо смешать порошок и термопластический связующий материал так, чтобы смесь была гомогенной и в момент впрыска в форму ее вязкость была не более 100 Пас. Достаточно сложным является и процесс заполнения формы, поскольку смесь охлаждается и быстро повышается ее вязкость, а, следовательно, ухудшаются условия заполнения полости формы, особенно в ее тонких сечениях.

Вязкость смеси  изменяется в зависимости от содержания порошка Ф и вязкости связующего _с следующим образом:

, (3.28)

где Ф_с – критическое содержание порошка в смеси, соответствующее максимально плотной засыпке. При Ф = Ф_с вязкость смеси стремится к бесконечности.

Оптимальным считается содержание порошка в смеси около 60 %. Из-за высокой чувствительности вязкости к составу смеси любые неоднородности состава будут приводить к резкому изменению вязкости. При оптимальном содержании порошка и его гомогенном распределении, вязкость смеси регулируется температурой нагрева. Обычно смесь нагревается в контейнере формовочной машины до температуры от 130 до 190С.

Давление прессования при заполнении формы зависит от ее геометрии, характеристик порошка и связующего. Обычно предельное давление, развиваемое в контейнере, ограничено значением 60 МПа. Массовая скорость потока смеси Q при заполнении формы зависит от приложенного давления Р и вязкости смеси :

Q = P/(K), (3.29)

где К – коэффициент сопротивления потоку, зависящий от геометрии формы. Для цилиндрической формы (длиной L и диаметром d) К = 128L(Пd⁴). Для прямоугольных форм (шириной В и толщиной t) K = L(Bt³).

При малых диаметрах и толщинах формы процесс заполнения должен контролироваться особенно тщательно. Современная технология ИФ широко использует компьютерное моделирование и контроль для предотвращения дефектов при заполнении форм. При этом заранее рассчитываются вентиляционные каналы, через которые удаляется воздух из полости формы. При нормальном заполнении формы вентиляционные каналы также должны быть заполнены последней порцией смеси.

Типичным примером детали, изготовленный способ ИФ, может служить предохранитель спортивных ружей. Деталь сложной формы, массой 40 г изготавливается из порошка низколегированного Fe-Ni сплава. При ИФ температура контейнера и сопла в формовочной машине 175С, температура формы 40С. Максимальное давление в начале инжектирования 20 МПа, давление при заполнении формы смесью – 8 МПа. Время охлаждения прессовки в форме – 18 с, общее время машинного цикла – 37 с.

Технология ИФ развивается в США, Японии и других зарубежных странах исключительно быстрыми темпами. Первые промышленные образцы деталей, изготовленные ИФ, появились на рынке после 1985 г. Ежегодный рост объема производства составляет 22 %. Значительно расширяется номенклатура изделий, изготавливаемых способом ИФ, как по составу, так и по массе и сложности изделий. Существенно возрастает размерная точность деталей. На большинстве изделий заданные размеры обеспечиваются с погрешностью 0,1 %, а на некоторых мелких деталях – 0,05 %. По механическим свойствам изделия, изготовленные способом ИФ, успешно конкурируют с изделиями, изготовленными способами горячей пластической деформации.

Контрольные вопросы:

1. Опишите процесс инжекционного формования.

2. От чего зависит вязкость порошковой смеси, и какова роль этой характеристики при инжекционном формовании?

3. В чем преимущества инжекционного формования, и каковы перспективы дальнейшего развития этой технологии?