6.3. Оспрей - процесс

Оригинальную технологию производства заготовок без применения форм разработала английская фирма «Оспрей лтд.». В этом процессе совмещаются технологические операции распыления расплава и формования заготовок. Расплав распыляется газом, а поток распыленных частиц направляется на холодную подложку, причем скорость распыления и расстояние от фокуса распыления до поверхности подложки выбирается и регулируется с таким расчетом, чтобы частицы сваривались друг с другом. Такое техническое решение предотвращает формирование оксидных пленок на порошковых частицах. Первоначально Оспрей-процесс применялся для изготовления небольших по массе фасонных заготовок из конструкционных и инструментальных сталей, которые подвергали горячей штамповке.

Рис. 6.4. Схема производства полунепрерывного слитка с

применением Оспрей-процесса: 1 – разливочная воронка;

2 – газовая форсунка; 3 – металлогазовый факел; 4 – слиток;

5 – корпус установки

Затем этот процесс стали применять для производства заготовок цилиндрического сечения в виде сплошных слитков или труб из сталей, жаропрочных никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и др. Особенно перспективно применение этого процесса для сплавов, склонных к макроликвации при стандартной технологии производства слитков. На рис. 6.4 приведена схема производства полунепрерывного слитка с применением Оспрей-процесса.

Имеются сведения об изготовлении трубных заготовок на базе Оспрей-процесса. Трубные заготовки получают, распыляя расплав на вращающуюся подложку цилиндрической формы рис. 6.5. Типичная скорость распыления от 0,5 до 2 кгс. Скорость охлаждения капель расплава около 10⁴ Кс. Сообщается об изготовлении трубных заготовок из сплава никеля, содержащего 21 % хрома, 9 % молибдена и 4 % ниобия. Трубные заготовки подвергали горячей экструзии. В результате получали трубы диаметром 100200 мм с дисперсной структурой и без какой-либо макронеоднородности по химическому составу. Механические свойства металла: предел прочности более 1000 МПа; предел текучести 490-560 МПа; относительное удлинение 30 %. Достигнутый уровень свойств превышает свойства труб из этого же сплава, но изготовленных другими технологическими способами.

Рис. 6.5. Схема производства трубной заготовки

Глава 7. Финишные технологические операции

Необходимость повышения свойств порошковых материалов стимулирует разработку и применение различных видов дополнительной обработки на финише производственного процесса изделий из порошка. Такими финишным операциями являются различные виды термической и механической обработки, защита от коррозии и др.

Термическая обработка

Термическая обработка (ТО), включающая нагрев, выдержку и охлаждение порошковых заготовок, проводится с целью изменения структуры материала и улучшения его физико-механических свойств. Возможность воздействия на структуру и свойства порошкового материала с помощью ТО обусловлена тем, что каждая порошковая частица представляет собой металлический микрослиток, в котором при нагреве и охлаждении происходят такие же превращения, как и в макрообъемах литого и деформированного сплава.

В то же время порошковые заготовки по некоторым параметрам существенно отличаются от слитков. Наличие пор и развитой поверхности обусловливают повышенную склонность порошковых заготовок к окислению и обезуглероживанию, поэтому при нагреве требуются более эффективные меры защиты поверхности заготовок. Это нужно еще и потому, что пористые материалы имеют низкую теплопроводность, весьма чувствительны к тепловым ударам, в результате чего время их нагрева существенно возрастает. Поры, являясь концентраторами напряжений, при резком охлаждении создают зоны пиковых напряжений, которые могут вызывать трещины.

ТО порошковых материалов может быть предварительной и окончательной. Предварительная ТО (отжиг, нормализация) проводится не только на заготовках, но, иногда и на порошках. Цель такой обработки сводится к снижению твердости, улучшению обрабатываемости и снятию напряжений. Окончательная ТО (закалка и отпуск) применяется для готовых изделий с целью придания им заданной структуры и физико-механических свойств.

Особенности ТО порошковых материалов наиболее полно изучены применительно к сталям. Пористость порошковой стали оказывает влияние как на технологию ТО, так и на ее результаты. По сравнению с литыми сталями, порошковые стали имеют большую суммарную поверхность и обладают повышенным запасом свободной энергии. Это интенсифицирует перлитно-аустенитное превращение. Наблюдается некоторое повышение температуры начала мартенситного превращения и падение твердости мартенсита. При закалке порошковых сталей повышается вероятность обезуглероживания и имеет место повышенный разброс твердости. Кроме того, при закалке у порошковых сталей, помимо обычных термических и фазовых напряжений, возникают дополнительные напряжения, связанные с наличием пор, межчастичных трещин. Это повышает твердость порошковой стали, но, одновременно, может снизить ее прочность. Для снятия остаточных напряжений и повышения прочности обычно проводится отпуск в диапазоне 250 – 400^оС.

Порошковые материалы на основе цветных металлов также подвергаются ТО. Например, порошковые латуни в большей степени, чем литые, склонны к коррозии под воздействием остаточных напряжений. Поэтому изделия из порошковой латуни после холодной деформации и механической обработки для снятия напряжений обязательно отжигают при 400 – 500^оС. Порошковые алюминиевые сплавы для повышения физико-механических свойств подвергают закалке и старению. Закалку ведут с температуры 490 – 530^оС в воду, последующее старение при 100 – 175^оС.

При ТО порошковых изделий, как из черных, так и из цветных металлов, особое внимание следует уделять нагреву, учитывая повышенную чувствительность пористых материалов к напряжениям. При наличии в материалах полиморфных превращений, вблизи точек перехода следует делать изотермическую выдержку или уменьшать скорость нагрева. Медленный нагрев рекомендуется для изделий с резкими переходами от тонких сечений к толстым. Не следует нагревать и охлаждать пористые изделия в солевых растворах, потому что соли трудно удалять из пор и изделия (при взаимодействии с солями) подвергаются электрохимической коррозии. Как уже отмечалось, нагрев порошковых материалов необходимо проводить в печах с защитной средой. При отсутствии таких печей целесообразно использовать контейнеры с углеродосодержащими засыпками.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) металлов и сплавов – это их диффузионное насыщение каким – либо легирующим элементом путем выдержки при высоких температурах в активных газовых, жидких или твердых средах. Распространенными видами ХТО являются цементация, азотирование, сульфидирование, хромирование, силицирование и др. Для порошковых материалов и изделий чаще всего применяют цементацию, азотирование и сульфидирование (насыщение поверхности углеродом, азотом и серой, соответственно).

Наличие пористости способствует интенсификации диффузии, на которой основана ХТО. В литых материалах легирующий элемент диффундирует вглубь по зернам и межзеренным границам, тогда как в пористых порошковых материалах диффузия протекает по всей поверхности частиц, как это схематично показано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема насыщения легирующими элементами

беспористых (а) и пористых (б) порошковых материалов

Это значительно сокращает время поверхностного насыщения. Кроме того, у порошковых заготовок с открытой пористостью, при достаточном времени выдержки, можно получить объемное насыщение материала легирующими элементами.

Наиболее активными рабочими средами при ХТО являются газы. Они обеспечивают быстрый подвод насыщающего элемента к поверхности обрабатываемого изделия. В жидких средах насыщение происходит либо в результате прямого контакта жидкой среды с поверхностью, либо через газовую фазу, если происходит выделение из жидкой среды газов. Минимальная скорость насыщения наблюдается в твердых средах, из-за малой поверхности контакта и низкой активности твердых тел. Поэтому, при необходимости проведения ХТО в твердых средах, рекомендуется применять активаторы (NH₄Cl, NH₄B, BaCO₃ и др.), с помощью которых формируется активная газовая фаза. Рассмотрим кратко наиболее распространенные виды ХТО порошковых изделий.

Цементация или науглероживание – насыщение поверхностных слоев изделия углеродом. Обработка проводится в карбюризаторах, которыми могут быть твердые среды (древесный уголь), но чаще всего газы (природный, светильный, эндогаз и др.). Фактически науглероживающим газом является оксид углерода (СО), который разлагается с образованием высоко активного атомарного углерода и углекислого газа. Глубину и свойства цементованного слоя определяют температура, время выдержки, пористость изделия, тип карбюризатора и наличие карбидообразующих элементов в составе порошкового материала. Карбидообразующие элементы (хром, вольфрам, титан и др.) повышают концентрацию углерода в поверхностном слое, но уменьшают его глубину. Цементованные изделия обычно подвергают закалке и отпуску для достижения оптимального сочетания высокой твердости и прочности на поверхности и высокой вязкости сердцевины.

Азотирование – насыщение поверхностного слоя термически обработанных изделий азотом с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности. Процесс проводят при сравнительно низких температурах (520-580^оС) и длительных выдержках (десятки часов) в диссоциированном аммиаке.

Нитроцементация – насыщение поверхностного слоя изделия углеродом и азотом одновременно. Процесс проводится в смеси газов, например в диссоциированном аммиаке с 20-30 % природного газа. Состав и свойства диффузионного слоя зависят от температуры, пористости порошкового изделия и других менее значимых факторов. С увеличением пористости глубина диффузионного слоя увеличивается, но его качество ухудшается. При оптимальных параметрах процесса, нитроцементация обеспечивает более высокую твердость и износостойкость в сравнении с цементацией, благодаря формированию в поверхностном слое карбонитридов.

Сульфидирование – насыщение поверхностного слоя изделия серой. Применяются разные технологии сульфидирования, в том числе: погружение изделия в расплавленную серу (температура 130-160^оС, выдержка 10-20 мин) и последующий диффузионный отжиг при 400-475^оС в защитной атмосфере; газовое сульфидирование в токе сероводорода и насыщение серой в твердых засыпках. Сульфиды в диффузионном слое, располагаясь в виде дисперсных включений, улучшают антифрикционные свойства за счет уменьшения коэффициента трения, повышают твердость и износостойкость, улучшают обрабатываемость. Надо отметить, что при сульфидировании наблюдается некоторое снижение прочности, пластичности и вязкости материала, что иногда требует дополнительного легирования материала для нейтрализации вредного влияния серы.

Диффузионная металлизация – насыщение поверхностного слоя изделия хромом (хромирование), алюминием (алитирование), цинком (цинкование) и другими металлами. Поверхностное легирование позволяет экономить легирующие элементы при производстве изделий, работающих в условиях коррозии, трения и износа. Широкое распространение получило хромирование, с помощью которого наиболее существенно повышают механические свойства, износостойкость и коррозионную стойкость изделий. Хромирование проводят в твердом металлизаторе на основе хрома (феррохрома) или в газовой среде. В последнем случае применяют летучие галогениды хрома, например NH₄Cl. Температура хромирования 1100-1200^оС. Кроме температуры на процесс хромирования влияют выдержка, состав насыщающего металла, пористость изделия и др. Количество хрома в поверхностном слое и глубина слоя тем больше, чем больше пористость заготовки. Хромирование иногда совмещают со спеканием заготовки. Перспективно также совмещение хромирования с цементацией и азотированием.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) сочетает термическую обработку с пластической деформацией и ставит своей целью повышение механических свойств металлических, в том числе порошковых материалов. Системы ТМО включают высокотемпературную (ВТМО), и низкотемпературную (НТМО) и предварительную (ПТМО), термомеханическую обработку. При ВТМО материал деформируют прокаткой, экструзией, штамповкой со степенью обжатия 80 – 90 %, совмещая деформацию с уплотнением порошкового материала. Упрочнение, достигаемое при ВТМО, зависит от температуры, степени и способа деформации, длительности последеформационной выдержки, закалочной среды, состава обрабатываемого материала, размера частиц порошка и других факторов. Более мелкие порошки способствуют формированию однородной и мелкозернистой структуры. После ВТМО структура материала более устойчива, а прочность выше, чем у того же материала непосредственно после закалки.

НТМО применяют в основном для обработки легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита. Сталь нагревают выше точки Ас₁, затем подстуживают до температуры максимальной устойчивости аустенита (температура ниже порога рекристаллизации), в этом состоянии деформируют с обжатием 30 – 40 %, после чего немедленно закаливают.

При ПМТО деформация и нагрев под закалку разделены во времени. Вначале материал подвергают деформации в холодном состоянии, а затем закалке и отпуску. Холодная пластическая деформация приводит к уплотнению пористой заготовки при обжатии до 30 %. Этой степени деформации соответствует остаточная пористость на уровне 2 – 4 %. Практически беспористымм можно получить изделия при степени деформации около 50 %. ПТМО обеспечивает существенное повышение прочности при некотором снижении пластичности.

Дисперсионно-упрочняющая термическая обработка

Дисперсионно-упрочняющая термическая обработка (ДУТО) применяется для материалов, компоненты которых при температуре спекания имеют ограниченную взаимную растворимость. ДУТО проводится в два этапа. Первый этап – закалка сплава с температур выше линии предельной растворимости компонентов с фиксацией при комнатной температуре пересыщенного твердого раствора. Второй этап – старение сплава с выделением ультрадисперсных частиц избыточной фазы. Старение сплава, как правило, сопровождается повышением его твердости и прочности, но и некоторым снижением пластичности. Важно определить оптимальную температуру старения, при которой твердость и прочность достигают максимального значения. Эта температура у каждого сплава своя. Излишне высокая температура старения приводит к коагуляции (укрупнению) выделяющихся из пересыщенного раствора частиц и падению прочностных свойств, причем прочность может стать ниже, чем у закаленного, но не состаренного сплава. Следует иметь в виду, что с увеличением пористости замедляется процесс дисперсионного твердения. Повторное прессование и спекание заготовок ускоряет процесс твердения.

Защита от коррозии

Наличие пор и увеличение активной поверхности порошковых материалов существенно снижает коррозионную стойкость изделий, и зачастую ставят под вопрос возможность их применения в конструкциях. Поэтому проблеме защиты порошковых изделий от коррозии уделяют особое внимание.

Для защиты порошковых изделий от коррозии на их поверхность наносят различные химические и электролитические покрытия (химическое и электрохимическое никелирование, хромирование, меднение, цинкование и др.). Чтобы предотвратить внутреннюю коррозию при нанесении поверхностных покрытий, из-за попадания в поры электролита, пористые изделия предварительно пропитывают химически стойкими веществами. Одним из лучших материалов для заполнения пор является гидрофобная кремнийорганическая жидкость, называемая продукт 136-41. Эта жидкость образует на поверхности пор тонкую полимерную пленку, которая не смывается водой, но растворяется в бензине или четыреххлористом углероде. У образцов, подвергнутых вакуумной пропитке 10 %-ным раствором продукта 136 – 41 после выдержки в 3 %-ном растворе поваренной соли в течение 30 суток не обнаружено следов коррозии.

Для закрытия поверхностных пор в последние годы применяют также анаэробные герметики, подобные смолам. Анаэробный герметик представляют собой полимеризационно-активное соединение из ингибитора (основа), инициатора и модифицирующих добавок. При попадании в поровые каналы герметик полимеризуется, затвердевает и сцепляется с металлической поверхностью. Процесс полимеризации не требует наличия воздуха. В нашей стране выпускается пропитывающая композиция ПК-80 – низковязкая жидкость на основе акрилового мономера. Ее применяют для пропитки порошковых изделий. Жидкость способна заполнять поры размером до 0,3 мм за один цикл и до 0,5 мм за два цикла. Пропитку проводят в вакууме, после чего изделия промывают в холодной воде для удаления избытка герметика. Затем отверждают герметик в воде при температуре 92±2^оС. Анаэробные герметики отличаются высокой химической стойкостью к агрессивным средам. Заполняя поры, они также улучшают механические свойства и чистоту обработки поверхности порошковых изделий.

Механическая обработка

Многие конструкционные детали, изготовленные из порошков, не требуют механической обработки, но в ряде случаев, особенно при изготовлении сложных по форме деталей, или высоких требованиях по размерной точности без механической обработки не обойтись. Чаще всего спеченные порошковые изделия подвергают дополнительной обработке калиброванием и резанием.

Калибрование

Этот вид обработки представляет собой пластическую деформацию поверхности заготовки с целью обеспечить точность размеров не хуже 6 – 7-го квалитетов и чистоту поверхности на уровне 7-го класса шероховатости. При спекании изделия, которое будут калибровать, необходимо предусмотреть припуск на калибрование. Обычно такой припуск составляет 0,5 – 2 % от калибруемого размера, причем на наружных поверхностях припуск должен быть по возможности большим, а на внутренних – малым.

Обычно калибрование проводят по высоте и поперечному (наружному или внутреннему) размеру раздельно или совместно. Калибруемое изделие запрессовывают в пресс-форму и сжимают радиально, когда сечение спеченного изделия больше требуемого. Это называют положительным калиброванием. Отрицательное калибрование представляет собой свободное размещение в пресс-форме спеченного изделия, которое затем сжимают вдоль продольной оси. В этом случае высота изделия меньше требуемой. Рассмотрим в качестве примера одновременное калибрование наружной и внутренней поверхности детали (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема одновременного калибрования наружной и

внутренней поверхности детали: а – загрузка; б – калибрование;

в – сталкивание детали; г – удаление плитки

Наружная поверхность заготовки 3 калибруется матрицей 8, а внутренняя поверхность нижним плавающим пуансоном 7. Верхний пуансон 5, укрепленный в держателе 6, проталкивает через матрицу калибруемую заготовку, которая устанавливает и центрирует на опорной плите пуансон 7. Выталкивание откалиброванной детали 3 осуществляется следующей заготовкой 4, которую запрессовывает в матрицу верхний пуансон 5. Заготовка 4 удерживает также плавающий пуансон 7. При перемещении опорной плитки 2 в сторону откалиброванная деталь 3 опускается на подставку 1 и при установке опорной плитки 2 в первоначальное положение деталь 3 выталкивается из матрицы 8. Для облегчения передвижения опорной плитки 2 матрица 8 после снятия калибрующего давления с помощью резинового амортизатора поднимается на 1 – 2 мм вверх. Для повышения производительности при калибровании часто используют многогнездные пресс-формы.

Резание

Обработку резанием проводят на токарных, фрезерных сверлильных и других металлообрабатывающих станках. Любой вид механической обработки порошковых материалов вызывает упругую и пластическую деформацию, которая, в свою очередь, сопровождается трением и выделением тепла, уплотнением или разрыхлением поверхностных слоев. Наличие в порошковом изделии пор затрудняет его обработку резанием, снижает стойкость инструментов, несмотря на то, что усилия резания при обработке пористых изделий обычно меньше, чем таких же, но беспористых. Это, на первый взгляд, несоответствие объясняется тем, что наличие пор делает нестабильным процесс резания, из-за пониженной теплопроводности в зоне резания возрастает температура, усиливается окисление и абразивный износ инструмента.

При резании пористых материалов применяют инструменты из твердых сплавов и быстрорежущих сталей, однако твердосплавной инструмент предпочтительней, поскольку инструмент из быстрорежущих сталей во многих случаях оказывается недостаточно стойким. В качестве охлаждающих сред целесообразно применять инертные газы или масла. Применять традиционные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) на водной основе, а также жидкости, содержащие кислоты и щелочи не рекомендуется, потому что попадание СОЖ в поры обрабатываемой заготовки вызовут коррозию при последующем хранении или эксплуатации изделий. Пропитка маслом пористых изделий существенно улучшает их обрабатываемость резанием. Усилие резания снижается в 1,3 – 1,5 раза, появляется возможность в 2,5 – 4 раза повысить скорость резания и снизить шероховатость поверхности обрабатываемого изделия.

Допустимая скорость резания зависит от состава порошкового материала и материала инструмента. Например, при точении пористых изделий на основе железа резцами из твердого сплава скорость резания составляет 50 – 200 м/мин. Более низкие скорости резания не рекомендуются, поскольку возрастает шероховатость поверхности. Качество поверхности зависит также от подачи. Чем больше пористость порошковой заготовки, тем меньше должна быть подача для того, чтобы получить поверхность с приемлемой шероховатостью. При точении железных изделий с пористостью > 25 %, рекомендуется подача 0,035 мм/об, а при меньшей пористости подачу можно увеличить в 2 раза.

Широко распространенным видом механической обработки является шлифование. Шлифование порошковых изделий, также как и литых (плотных) заготовок, осуществляют кругами из карбида кремния или электрокорунда. Отличительной особенностью шлифования пористых изделий является уплотнение пористого порошкового слоя в процессе шлифования и существенное изменение его свойств. Например, увеличение глубины шлифования с 0,01 до 0,1 мм повышает микротвердость и уровень микронапряжений в слое на 15 – 30 %. Одновременное увеличение подачи и уменьшение скорости стола при плоском шлифовании приводит к снижению микротвердости в поверхностном слое.

Контрольные вопросы

1. Перечислите виды финишной обработки порошковых пористых заготовок.

2. Термическая обработка порошковых заготовок.

3. Какие виды химико-термической обработки применяются для порошковых изделий?