5. Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии

Применение конструкционных порошковых материалов

Производство заготовок методами порошковой металлургии включает получение и подготовку порошков исходных материалов (металлов, сплавов, металлоидов и др.); прессование изделий необходимой формы в специальных пресс-формах; термическую, обработку (спекание) спрессованных изделий, обеспечивающую им окончательные свойства. Иногда применяют совмещение операций прессования и спекания, пропитку пористого брикета расплавленным металлом, допрессовку или калибровку спеченных полуфабрикатов и пр.

Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы как аналогичные по структуре и свойствам традиционным, так и обладающие совершенно новыми комплексами свойств. При этом совмещаются процессы получения конструкционных материалов и формообразования заготовок, часто не требующих последующей размерной обработки или подвергаемых незначительной механической обработке.

В зависимости от условий эксплуатации конструкционные порошковые материалы (КПМ) подразделяют на две группы: материалы, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы; материалы со специальными свойствами – износостойкие, инструментальные, жаропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие, для атомной энергетики, с особыми физическими свойствами (магнитными, электро- и теплофизическими и др.), тяжелые сплавы, материалы для узлов трения – антифрикционные и фрикционные и др. Физико-механические свойства КПМ при прочих равных условиях определяются плотностью (или пористостью) изделий, а также условиями их получения. По степени нагруженности порошковые детали подразделяют на четыре группы (табл. 4.1).

Таблица 4. 1. Характеристика конструкционных порошковых материалов

Прочность и жесткость малонагруженных деталей не рассчитывают, их размеры выбирают из конструктивных или технологических соображений. При изготовлении из традиционных литых или деформированных материалов такие детали имеют слишком большой запас прочности и повышенную массу. Поэтому массовое изготовление заготовок этих деталей методами порошковой металлургии позволяет экономить значительное количество металла. Причем могут быть использованы наиболее дешевые порошки металлов без их легирования (обычно порошки железа или шихты на его основе с добавками углерода).

К умеренно нагруженным деталям условно относят такие, ра­ботоспособность которых в течение всего периода эксплуатации при действующих напряжениях обеспечивают КПМ с пределом прочности, не превышающим при статическом одноосном растяже­нии 45–65 % (в условиях динамического нагружения 35...60%) соответствующих характеристик беспористого материала анало­гичного состава. Обычно их изготавливают из порошков углеродис­тых или низколегированных сталей. Большинство умеренно нагру­женных деталей не подвергается расчетам на прочность и жест­кость. Их размеры также выбирают из конструктивных или техно­логических соображений.

Средненагруженные детали находятся под воздействием значи­тельных статических или умеренных динамических нагрузок. Их изготавливают из порошков углеродистых или легированных ста­лей, цветных металлов и сплавов. Необходимый уровень прочности деталей обеспечивает материал пористостью 2–9 %.

На тяжелонагруженные детали воздействуют статические или динамические напряжения большой интенсивности. Работоспособ­ность таких деталей обеспечивают КПМ, относительная прочность которых близка к прочности беспористого материала.

Для получения высоких прочностных характеристик КПМ ис­пользуют более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. Физико-механические свойства наиболее распространенных углеродистых порошковых сталей раз­личных подгрупп плотности приведены в табл. 4.2.

Преимуществами производства заготовок методами порошко­вой металлургии являются: возможность применения материалов с разнообразными свойствами – тугоплавких, псевдосплавов (медь-вольфрам, железо-графит и др.), пористых (фильтры, самосмазывающиеся подшипники) и других; малоотходность про­изводства (отходы не превышают 1–5 %); исключение загрязне­ния перерабатываемых порошковых материалов; использование ра­бочих невысокой квалификации; легкость автоматизации техноло­гических процессов и др.

К недостаткам порошковой металлургии относятся: ограничен­ность размеров и относительная простота формы получаемых из­делий; экономичность применения при достаточно больших масшта­бах производства; остаточная пористость заготовок, которая в не­которых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как у отливок и поковок.

Таблица 4.2. Физико-механические свойства порошковых углеродистых сталей без термической обработки

Типовыми деталями, изготавливаемыми из порошковых заго­товок, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, гайки, втулки, храповики, фланцы, детали измерительных инструментов и др.

Выбор заготовок, намечаемых для изготовления из КПМ, про­водят в три этапа: 1) отбор деталей, заготовки которых можно изготавливать мето­дами порошковой металлургии; 2) оценка их технологичности с точки зрения требований порошковой металлургии и опреде­ление возможной схемы технологического процесса; 3) анализ технико-экономических показателей производства заготовок и опреде­ление экономической целесообразности их изготовления из порош­ков.

На первом этапе изучают конструктивные особенности и усло­вия работы анализируемых изделий. Предварительно определяют наиболее массовые и быстроизнашивающиеся детали, а также детали, изготавливаемые из дорогих и дефицитных материалов; опре­деляют общую годовую потребность в порошковых заготовках этих деталей. Выявленные детали классифицируют по конструкции и назначению, конфигурации и размеру; точности размеров и шеро­ховатости поверхностей, условиям эксплуатации. По условиям эксплуатации (температура, влажность и агрес­сивность окружающей среды, наличие или отсутствие смазки, ско­рость и давление в зоне сопряжения и т. п.) выбирают тип порош­кового материала (конструкционный, антифрикционный, специаль­ного назначения и пр.) и его марку.

На втором этапе прежде всего оценивают форму и размеры за­готовки. Для этого вычерчивают эскиз заготовки, определяют ее группу сложности (табл. 4.3), анализируют возможность измене­ния формы и размеров. Затем определяют последовательность опе­раций при получении заготовки (табл. 4.4), ее расположение в пресс-форме, необходимость операции калибровки или последую­щей механической обработки для получения требуемой точности размеров.

Таблица 4.3. Классификация порошковых заготовок по группам сложности

По давлению прессования и площади поперечного сечения за­готовки находят потребную мощность прессового оборудования.

При анализе возможности производства порошковых заготовок учитывают сложность изготовления пресс-форм, количество и тру­доемкость операции, влияние конфигурации детали на равномер­ность плотности заготовки по всему сечению. Наиболее целесооб­разно изготавливать методами порошковой металлургии заготовки из цветных металлов и сплавов (1–7 групп сложности), стальные и чугунные детали крупносерийного производства (1–5 групп слож­ности).

Таблица 4.4. Основные технологические схемы производства заготовок

методами порошковой металлургии

На третьем этапе для сравнения с другими видами заготовок анализируют годовую программу выпуска порошковых заготовок, которая должна быть не ниже критической, коэффициент исполь­зования материала и себестоимость изготовления заготовки с учетом последующей механической обработки.

Заготовки, намечаемые для производств методами порошковой металлургии по сложности технологической подготовки их произ­водства, можно подразделить на: заготовки, имеющие аналоги по конструктивно-технологическим признакам подобной сложности из выбранного типа КПМ, которые освоены промышленностью и мо­гут быть полностью изготовлены по отработанной технологии; заготовки, не имеющие аналогов подобной сложности с достаточным опытом промышленного изделия, для которых требуется проверка отдельных технологических решений; заготовки, не имеющие ана­логов по конструктивно-технологическим признакам из выбранно­го типа КПМ с каким-либо опытом промышленного внедрения. Для производства заготовок первой категории могут быть использова­ны типовые или групповые технологические процессы, для заго­товок третьей категории необходима разработка новых технологи­ческих процессов, а в ряде случаев проведение научно-исследовательских работ. В меньшем объеме такие работы проводятся при технологической подготовке производства заготовок второй кате­гории.

Проектирование заготовок из порошковых материалов

Перед оформлением чертежа порошковой заготовки необходимо тщательно проанализировать технологичность ее конструктивных форм.

С усложнением формы прессуемой заготовки затрудняется до­стижение равномерной плотности во всех ее частях. При прес­совании перемещение частиц порошка происходит в основном толь­ко в направлении, параллельном давлению прессования. Поэтому приходится применять составные пуансоны, части которых имеют независимое друг от друга движение. Каждый переход сечения за­готовки необходимо прессовать отдельным пунсоном и в отдельной части матрицы. Чем сложнее форма заготовки, тем больше переходов сечения, тем сложнее и дороже пресс-форма для изготовления заготовки. При изготовлении заготовок повышенной сложности приходится применять разрезные матрицы.

Сложность изготовления пресс-форм, их стойкость и стоимость являются определяющими факторами целесообразности изготовле­ния заготовок методами порошковой металлургии. Иногда, осо­бенно в условиях массового производства, для обеспечения техно­логичности, следует изменить конфигурацию порошковой и сопря­гаемой с ней деталей. Для сохранения формы прессовки при выталкивании из пресс-формы порошковые заготовки не должны иметь конструктивных элемен­тов, препятствующих свободному их выталкиванию (различных приливов и углублений, расположенных под углом к оси прессова­ния, косых ребер и пр.). Следует максимально уменьшить количество изменений тол­щины или диаметра заготовки вдоль оси (рис. 4.19,1), Также необходимо избегать резких изменений толщины стенок (рис. 4.19, 2).

Рис. 4.19. Примеры конструкций порошковых заготовок:

а – технологично; б - нетехнологично

Толщина стенки прессовок диаметром 10–15 мм и высотой 15–20 мм должны быть не менее 1,2–1,5 мм. У более крупных заго­товок минимальная толщина стенок вырастает (ориентировочно 0,8 мм на каждые 25 мм длины). При высоте прессовки меньше диаметра минимальная толщины стенки составляет 1,6 мм. Толщи­на донной части глухих отверстий должна быть не менее 2–3 мм. Отверстия должны располагаться на расстоянии не менее 2–3 мм от края заготовки и друг от друга. При толщине стенок или фланцев до 2,5 мм их наружные углы закругляют, а при больших толщинах выполняют фаску под углом 45°. У основания коничес­ких поверхностей предусматривают цилиндрический поясок ши­риной не менее 0,5 мм. В конструкциях заготовки рекомендуется избегать применения узких и длинных выступов (рис. 4.19, 3), длин­ных и узких выемок (рис. 7.2, 4), ширина таких выступов и выемок должна быть не менее 3–4 мм, обратной конусности (рис. 7.2, 5), острых углов (рис. 7.2, 6) и других форм, приводящих к ослабле­нию пресс-форм. Необходимо предусматривать небольшие площад­ки на концах скосов и углов, что позволит притупить острые углы на торцах пуансонов. При сопряжении поверхностей следует пред­усматривать радиус закругления не менее 0,25 мм для внутренних и не менее 2,5 мм для наружных поверхностей. Скругленные углы способствуют снижению сопротивления перемещения порошка в полости матрицы.

Рекомендуется заменять фигурные отверстия в деталях круг­лыми (рис. 4.19, 7), что удешевляет и упрощает конструкцию пресс-формы. В прямоугольных отверстиях для облегчения перемещения порошка углы выполняют закругленными. Вместо косоугольной насечки следует проектировать крупную прямоугольную, которую легче можно выполнить в пресс-форме.

Следует избегать применения радиальных канавок (рис. 7.2, 8), выемок или отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования (рис. 7.2, 9). Если же такие элементы формы необхо­димы, то их следует получать механической обработкой резанием после спекания прессовки.

Фланцы, расположенные на небольшом расстоянии от края ци­линдра, лучше прессовать более толстыми с припуском под обта­чивание после спекания. Резанием обрабатывают также внутрен­нюю и наружную резьбы. Выемки или радиальные канавки, рас­положенные параллельно оси прессования, могут быть выполнены пресс-инструментом. Ступицы шестерен следует выполнять на 2–3 мм меньше диаметра окружности впадин (рис. 7.2, 10). В случа­ях, когда это возможно, следует заменять криволинейные и непа­раллельные поверхности параллельными. Это, в частности, относит­ся к деталям, которые ранее изготовлялись литьем ли ковкой. В зависимости от удобства прессования углубления и пазы целе­сообразно заменять выступами (рис. 7.2, 11) или пазы заменять углублениями (рис. 7.2,12). В целях облегчения выталкивания прессовок, особенно фланцев, из пресс-форм, их следует выполнять с конусностью К =0,007ε_ч, где ε_ч – упругие последействия по диа­метру, %.

При изготовлении изделий сложной формы, получение равно­мерного распределения плотности в которых затруднительно, части изделия формируются отдельно, а затем их соединяют в одно целое при спекании или пропитке легкоплавким металлом. Если деталь имеет длинную выступающую часть, то для увеличения жесткости ее прессуют с дополнительными ребрами.

Точность заготовок, получаемых методами порошковой металлургии

При прессовании в закрытых пресс-формах получают заготовки заданной формы и размеров. Однако допуски на их размеры по длине и поперечному сечению более высокие по сравнению с точ­ной механической обработкой. Точность изготовления порошковых заготовок зависит от точности пресса, пресс-форм, стабильности упругих последействий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износа пресс-форм, роста линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении и т. д. Упругое последей­ствие зависит от ряда технологических факторов: дисперсности и формы частиц порошка, содержания оксидов, твердости материа­ла частиц, давления, прессования, наличия смазок и пр. Упругое последействие в заготовках из порошков хрупких и твердых мате­риалов всегда больше, чем в изделиях из мягких и пластичных по­рошков. Оно сильнее проявляется по высоте заготовок (до 5–6 %), чем по диаметру (не более 2–3 %). Упругое последействие облегча­ет снятие заготовок с пуансона за счет увеличения охватывающих размеров, но препятствуют их извлечению из пресс-форм при нали­чии всевозможных выступов, ребер и пр.

Точность размеров холоднопрессованных брикетов при уплот­нении «по давлению» соответствует для высотных размеров 12–14-му квалитетам, для диаметральных – 6–8-му квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров точность со­ответствует 12-му квалитету, для диаметральных – 8–11-му квалитету. Спекание приводит к снижению точности размеров на 1–2 квалитета.

Точность геометрической формы и взаимного расположения по­верхностей прессовок (круглость, соосность) практически не зави­сят от схемы прессования и определяются в основном точностью пресс-форм. Поэтому точность изготовления пресс-форм должна быть на 1 квалитет выше заданной точности порошковых загото­вок.

Распределение отклонений от номинальных диаметральных раз­меров деталей типа втулок при уплотнении «по давлению» подчи­няется нормальному закону, дисперсия которого зависит от точности изготовления деталей пресс-формы. Дисперсия нормального закона для соосности втулок численно равна зазору между подвиж­ными деталями пресс-форм. При изготовлении заготовок с точнос­тью по 6–7-му квалитету для обеспечения их точности по соосности пресс-формы изготавливают по 3–6-му квалитету. При этом реко­мендуются следующие минимальные зазоры между подвижными элементами: при диаметре изделий 18 мм – 4–14 мкм; 26 мм – 4–18 мкм; 45мм – 8–26 мкм. При использовании пресс-формы с шероховатостью формообразующих поверхностей R_a=2,5–0,02 мкм достигается шероховатость холоднопрессованных брикетов R_а=5,0–0,16 мкм. Шероховатость спеченных изделий составляет R_a=2,5–0,8 мкм.

Для повышения точности пористых порошковых заготовок при­меняют калибрование путем обжатия их после спекания в кали­бровочных пресс-формах при припуске 0,5–1,0%. Усилие при ка­либровке составляет 10–25 % усилия холодного прессования. Уп­ругое расширение после калибрования достигает 0,1 %. Отклонения диаметральных размеров калиброванных изделий от соответствую­щих размеров матрицы или стержня калибрующей пресс-формы не превышает 5–10 мкм.

Калиброванию подвергаются наружные и внутренние поверх­ности заготовок.

Технико-экономическая эффективность применения порошковых заготовок

Методы порошковой металлургии позволяют экономить трудо­вые и материальные ресурсы в машиностроении и при эксплуата­ции машин. В ряде случаев порошковые конструкционные материа­лы по своим уникальным свойствам не имеют аналогов и позво­ляют обеспечивать выпуск качественно новой продукции.

Экономическая эффективность изготовления порошковых заго­товок тем больше, чем больше их серийность. Поэтому такая тех­нология доступна только при годовой программе выпуска в неско­лько тысяч штук. Опыт промышленности показывает, что заготовки из литья и проката черных металлов целесообразно переводить на изготовление из порошков при серийности 10 000 шт., а заготов­ки из цветных металлов – при серийности 2000–3000 шт.