Прессование и спекание — это механизмы, используемые для формирования твердых деталей из порошков. Сначала происходит прессование, затем спекание. Перед прессованием порошок полностью подготавливается, как описано в разделе порошковой металлургии. Помимо порошкообразных составляющих в смеси могут также присутствовать связующие вещества, дефлокуляты и смазывающие вещества.
Прессование порошка и, следовательно, формование порошка в целом лучше всего подходит для плоских деталей с двухмерной геометрией и небольшой толщиной. Основными проблемами, связанными с увеличением сложности и толщины деталей, являются более высокие колебания плотности из-за неравномерного уплотнения частиц порошка и ограничения, вызванные необходимостью выброса спрессованной прессовки. Методы обработки используются для смягчения этих проблем. Проектирование процесса, различные уровни сложности деталей и предельные возможности производства порошков обсуждаются в последнем разделе, посвященном проектированию процесса для порошковой металлургии. В этом разделе рассматриваются традиционные методы прессования и спекания порошков. Альтернативные методы производства порошка обсуждаются в следующем разделе.
Прессование порошка
Прессование порошков – это прессование порошков в геометрическую форму. Прессование обычно проводят при комнатной температуре. Это создает твердую часть, называемую зеленой прессовкой. Прочность этой прессованной неспеченной детали (прочность в сыром состоянии) зависит от способности к уплотнению, для повышения способности к уплотнению можно использовать связующие вещества. Как правило, зеленую прессовку можно разбить вручную, но она также достаточно прочна, чтобы с ней можно было обращаться аккуратно. Геометрия сырой прессовки аналогична геометрии готовой детали, однако на этапе спекания производственного процесса возникает усадка, которую необходимо учитывать.
Необходимое количество порошка будет зависеть от насыпной плотности порошка и количества материала в конечной части. Насыпная плотность обсуждалась в предыдущем разделе, это плотность самого сыпучего порошка. Насыпная плотность важна при измерении количества порошка. Эффекты добавок, таких как смазочные материалы, всегда должны быть рассчитаны. Например, в зеленой прессовке есть определенное количество смазок и связующих веществ, которые добавляют дополнительный материал. Во время спекания эти смазки и связующие вещества выгорают. Их материала больше нет в детали после спекания, и это необходимо учитывать.
Чтобы начать производственный процесс, в матрицу засыпается определенное количество порошка. Скорость заполнения матрицы в значительной степени зависит от сыпучести порошка. Порошки, которые легко сыпятся, можно засыпать с большей скоростью. Заливка может быть автоматизированным процессом.
Как только матрица заполнена, пуансон движется к порошку. Пуансон оказывает давление на порошок, уплотняя его до нужной геометрии. Простая иллюстрация процесса прессования показана на рисунке 328.
Поверхности пуансонов и матриц очень важны при производстве порошков. Между пуансоном и матрицей должен существовать некоторый зазор, чтобы пуансон мог перемещаться внутри матрицы. Частицы порошка могут застревать в пределах этого зазора, вызывая проблемы с правильным движением оборудования. Чтобы частицы порошка не застревали в этом зазоре, зазор спроектирован очень малым. Значения зазора между пуансоном и матрицей, используемые для прессования порошка, обычно составляют менее 0,001 дюйма. Большинство пуансонов и матриц изготавливаются из закаленных инструментальных сталей, поверхности которых шлифуются, а затем полируются или притираются в направлении движения инструмента. Пуансоны и матрицы для более экстремальных операций по обработке порошка могут быть изготовлены из карбида вольфрама.
Сила, необходимая для операции прессования, в значительной степени зависит от материала. Например, прессование алюминиевого порошка обычно требует меньшего усилия, в то время как прессование железного порошка требует относительно большего усилия. Сила прессования также зависит от характеристик порошка, добавок и желаемой плотности неспеченной прессовки. Сила трения будет препятствовать движению частиц при прессовании, поэтому смазка может уменьшить необходимое усилие прессования, а также обеспечить более равномерное распределение частиц при прессовании. Смазка должна применяться в правильном количестве. Излишняя смазка не вся останется на поверхности частиц, но также будет собираться в промежутках между частицами (открытые поры) и препятствовать надлежащему уплотнению порошка. Сила прессования является функцией давления на площадь детали, перпендикулярную направлению прессования. Обычно пресс вертикальный, в этом случае рассматривалась бы горизонтальная плоскость детали.
Усилие для промышленного производства порошка обычно варьируется от 10 000 фунтов/дюйм2 (70 МПа) до 120 000 фунтов/дюйм2 (800 МПа). Детали для этого типа производства в основном небольшие (менее 5 фунтов), а требования к прессу обычно не превышают 100 тонн. Механические прессы мощностью несколько сотен тонн обычно подходят для большинства операций по обработке порошков. Гидравлические прессы мощностью в несколько тысяч тонн иногда используются для работы, требующей большей силы. Обычно используются прессы двойного действия с противоположными верхним и нижним пуансонами, но для более сложных деталей могут использоваться прессы многократного действия. Скорость удара должна регулироваться. Более быстрое уплотнение изделия может привести к повышению производительности, однако, если скорость штамповки слишком высока, воздух может попасть в поры и помешать правильному уплотнению детали.
Механика прессования
Уплотнение детали зависит от действий частиц порошка во время прессования. Когда порошок впервые засыпается в пресс-форму, он имеет насыпную плотность или плотность сыпучего порошка. По мере сжатия порошка его объем уменьшается, а плотность увеличивается, пока он не достигнет конечного объема и плотности неспеченной прессовки (плотность неспеченной массы). Полностью спрессованная деталь по-прежнему будет содержать пористость, а плотность сырца будет ниже, чем истинная плотность материала.
Поры между частицами и поверхности частиц являются важным фактором при прессовании порошков. Следует избегать поверхностных пленок на частицах порошка. Эти материалы, такие как оксиды, могут стираться во время прессования и занимать межчастичные вакансии, препятствуя надлежащему уплотнению детали. На первом этапе прессования порошка плотность увеличивается за счет перегруппировки отдельных частиц порошка. Пространства, перемычки и зазоры устраняются, а плотность увеличивается за счет более эффективной упаковки частиц. Эта начальная стадия обеспечивает относительно более низкое сопротивление, и плотность порошка быстро увеличивается с приложенным давлением. Устанавливаются точки контакта между частицами порошка. По мере продолжения сжатия между этими контактными точками действуют возрастающие силы. Холодная сварка давлением происходит в местах контакта между частицами. Холодная сварка давлением — это тип соединения, который происходит во время порошкового прессования, он помогает придать структурную целостность сырому компакту, чтобы его можно было обрабатывать дальше.
Вторая стадия не имеет определенного начала, но характеризуется пластической деформацией частиц. Напряжения между точками контакта частиц порошка вызывают деформацию материала. Площади контакта увеличиваются, происходит сцепление и пластическое течение частиц, объем уменьшается, а плотность продолжает расти. Движению материала все больше противостоят трение и упрочнение металлического порошка. В отличие от первой стадии, скорость увеличения плотности будет уменьшаться по мере роста давления. Плотность будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнута максимальная плотность спрессованного порошка или плотность сырца. Несмотря на сильное сокращение, в «зеленом компакте» все еще существует обширное взаимосвязанное пространство.
Большая часть этого пространства по-прежнему представляет собой взаимосвязанную сеть пор, в основном открытых пор. Плотность прессовки по отношению к приложенному давлению варьируется в зависимости от различных факторов обработки. Типичная взаимосвязь между давлением и компактной плотностью показана на рисунке 329. Обратите внимание, как скорость увеличения плотности падает между начальной стадией переупаковки и второй стадией пластической деформации.
В идеале увеличение плотности должно происходить равномерно по всей прессовке. Однако в основном из-за трения и геометрии деталей колебания плотности могут стать серьезной проблемой при производстве порошка. Эти проблемы увеличиваются с увеличением сложности детали. Смазка может помочь уменьшить трение, обеспечивая более равномерный поток во время уплотнения. Следует избегать чрезмерного смазывания. Еще один способ создания более равномерной плотности в спрессованном брикете — использование дополнительных пуансонов отдельными движениями. Многократное прессование порошков является обычной производственной практикой с более сложными деталями.
Принцип построения операции прессования порошка с использованием одного, двух или нескольких действий основан на способе сжатия порошков. Меньшее давление внутри порошкового материала приведет к меньшему уплотнению и меньшей плотности в этой области. Давление внутри порошка уменьшается по мере удаления от поверхности пуансона. Для одного пуансона это будет означать толщину детали.
При изготовлении тонкой детали из порошка (большое отношение диаметра к толщине) это может не представлять проблемы. С более толстыми деталями могут возникнуть значительные колебания плотности в зависимости от расстояния до пуансона. Чтобы смягчить этот тип проблемы изменения плотности-давления в уплотненном порошке, обычно используются два противоположных пуансона.
Порошковое спекание
Спекание порошка включает в себя повышение температуры сырой прессовки (прессованной порошковой части) до определенного уровня и поддержание ее при этой температуре в течение определенного периода времени. Температура спекания обычно составляет от 70% до 90% температуры плавления металлического порошка. Это приведет к возникновению механизмов связывания между частицами порошка, спрессованными вместе в прессовке. Связывание внутри сырой прессовки слабое, и эта прессованная неспеченная деталь обычно имеет достаточную структурную целостность, чтобы с ней можно было обращаться. Склеивание, возникающее при спекании, значительно укрепляет деталь.
Механизмы спекания
Во время спекания структуры отдельных частиц исчезают, и материал формируется в виде массы. Обычное спекание не устранит всю пористость в детали, однако еще больше уменьшит пористость. В дополнение к уменьшению объема спекание может также изолировать области взаимосвязанной открытой пористости в неспеченной прессовке. Эти изолированные области становятся закрытыми порами, так как они отрезаны от внешней среды. Спекание характеризуется выгоранием в порошке добавок, необходимых для более ранних стадий обработки. Устранение компонентов, которые больше не нужны, таких как смазочные материалы, связующие вещества и дефлокулянты, необходимо для поддержания чистоты материала конечного продукта. Помимо увеличения прочности и плотности материала детали, спекание также повышает пластичность, теплопроводность и электропроводность. Усадка произойдет во время спекания, но будет рассчитана при контроле факторов производственного процесса.
Механизмы, которые вызывают склеивание во время спекания, разнообразны и сложны. Основным механизмом, с помощью которого происходит связывание, считается диффузия, механизмы будут варьироваться в зависимости от факторов производственного процесса и характеристик порошка. Некоторые другие механизмы, которые могут возникать наряду с диффузией, включают пластическое течение, рекристаллизацию, рост зерен, перенос материала в жидкой фазе и перенос материала в паровой фазе. Физические характеристики разных видов склеивания могут быть разными. Связывание частиц двумя различными механизмами показано ниже. Диффузионное соединение сокращает расстояние между частицами, уменьшая пространство. Перенос фазового материала добавляет материал, сохраняя при этом частицы на одинаковом расстоянии друг от друга.
Механизмы соединения во время спекания сложны и различны, однако считается, что основной движущей силой, которая приводит в действие это соединение частиц, является снижение энергии из-за уменьшенной площади поверхности. Порошки с большей площадью поверхности будут иметь более высокую движущую силу для связывания и снижения этой потенциальной энергии.
При спекании также происходит легирование различных металлических порошков. Температура спекания всегда должна быть ниже температуры плавления хотя бы одного из компонентов порошка. В некоторых случаях температура спекания выше температуры плавления одного из материалов, но ниже температуры плавления другого. Это называется жидкофазным спеканием. Спекание в жидкой фазе может устранить пористость и произвести детали с превосходными свойствами материала.
Процесс спекания
Основными переменными, определяющими операцию спекания порошка, являются время, температура и атмосфера в печи. Температура спекания обычно составляет от 0,7 до 0,9 температуры плавления порошка. Время спекания зависит от факторов производственного процесса и материала. Вольфрам, например, спекается относительно долго. Стандартное время спекания промышленных порошков для различных процессов и материалов варьируется от 8 минут до 10 часов.
Контролируемая атмосфера имеет решающее значение во время спекания порошка. Целью атмосферы при спекании является контроль науглероживания и обезуглероживания, предотвращение окисления и удаление существующих оксидов, предотвращение нежелательных химических реакций и помощь в выгорании добавок. Обычными средами, используемыми для промышленных порошковых процессов, являются монооксид углерода, диссоциированный аммиак, водород, частично сгоревший природный газ и инертные газы, такие как аргон или гелий. Иногда детали также спекают в вакууме. Вакуумное спекание в основном применимо к тугоплавким металлам и нержавеющей стали.
Спекание сырца происходит в три этапа. Сначала порошковая прессовка подвергается предварительному нагреву. Предварительный подогрев нагревает деталь до относительно низкой температуры, обеспечивая выгорание присадок. Предварительный нагрев также начнет укреплять связи внутри детали, увеличивая ее целостность для следующего этапа. На втором этапе температуру повышают до температуры спекания и поддерживают в течение определенного времени, необходимого для достижения желаемой степени склеивания. Температуру снижают, поскольку детали дают остыть на третьем этапе. Поддержание работы в контролируемой атмосфере печи во время охлаждения имеет решающее значение для предотвращения нежелательных химических реакций между деталью и окружающей средой.
В промышленном производстве порошков используются печи периодического и непрерывного действия двух типов. В печи периодического действия небольшое количество деталей помещается в печь, проходит весь процесс спекания и удаляется. Печи непрерывного действия обеспечивают непрерывное производство и имеют три зоны для трех стадий производственного процесса (предварительный нагрев, спекание и охлаждение). Движущаяся лента осуществляет непрерывную подачу деталей через камеры. Тепловые двери могут быстро открываться и закрываться, чтобы пропускать детали, сохраняя при этом тепло. Лента движется с точной скоростью, чтобы дать деталям необходимое количество времени в каждой камере. Стабильные продукты и высокая производительность делают печи непрерывного действия наиболее распространенным выбором для спекания порошков. Хотя печи периодического действия имеют более низкую производительность и реже используются, они обеспечивают больший контроль атмосферы и, следовательно, чистоту деталей. Вакуумная атмосфера обычно может быть обеспечена только печами периодического действия.
Пористость, пропитка и инфильтрация
Пористость является характерной чертой материалов, обработанных порошком. В некоторых случаях целью является смягчение или устранение пористости. В других случаях желателен определенный уровень пористости. Как обсуждалось, пористость существует в сырой прессовке. Величину пористости в сырой прессовке можно до некоторой степени контролировать уровнем давления, используемого для прессования прессовки. Если прессовка не полностью спрессована, пористость будет больше, чем при полном прессовании. Фактически, при рыхлом спекании порошок вообще не прессуется, что обеспечивает очень высокую пористость для специальных компонентов, таких как металлические фильтры.
Пористость металла обычно измеряется процентом пустого пространства в материале. Менее 10 % — это материал с низкой пористостью, 10–20 % — со средней пористостью и более 25 % — с высокопористым материалом. Пористость внутри спрессованного сырца в основном взаимосвязанная пористость, где сети пор открыты для внешней среды. Во время спекания объем пористости уменьшается, и многие пустоты изолируются от основных сетей пор и внешней среды. Когда поры становятся изолированными внутри материала, они больше не считаются открытой пористостью, а считаются закрытой пористостью.
Пропитка – это заполнение пор в металле жидкостью. Обычно это применяется в производстве самосмазывающихся компонентов, таких как подшипники и шестерни. В этих случаях обработанную порошком деталь обычно пропитывают горячим маслом. Детали обычно пропитаны маслом на 10-30% по объему. Иногда деталь пропитывают полимерной смолой, чтобы предотвратить попадание других веществ в поры или облегчить дальнейшую обработку.
Инфильтрация — это заполнение пор металла другим металлом с более низкой температурой плавления, чем основной материал. Инфильтрационный металл нагревают до температуры выше его температуры плавления, но ниже температуры пористой металлической части. Жидкий металл попадает в пористую сеть и затвердевает, заполняя поры твердым металлом. Пропитка может производить детали с особыми механическими свойствами. Железо, пропитанное медью, является распространенным примером этого процесса в обрабатывающей промышленности.
Как уже упоминалось, поры могут изолироваться во время обработки порошка. Количество взаимосвязанных, открытых (не изолированных) пор является решающим фактором для пропитки и инфильтрации. Материал не может попасть в поры, отрезанные от внешней среды. Величину открытой пористости можно измерить количеством жидкости, необходимой для насыщения детали.
Дальнейшая обработка деталей, изготовленных из порошка
В порошковой металлургии, как и в большинстве других основных производственных процессов, часто возникает необходимость в дальнейшей обработке продукта. Пористость деталей, изготовленных порошковыми методами, является особым фактором при вторичных, или чистовых, операциях, выполняемых с такими деталями.
Сочетание порошковой металлургии и ковки позволяет производить детали чрезвычайно высокого качества. Часть изготавливается из порошка с пористостью около 15%-20%, а затем горячей штамповкой. Как правило, поковка без облоя. Горячая ковка устраняет пористость, увеличивая плотность детали. Горячая штамповка детали, обработанной порошком, также создает однородную кованую структуру зерна. Вторичная обработка детали, изготовленной из порошка, ковкой значительно улучшает механические свойства детали. Поскольку при формовании порошка деталь приобретает форму, близкую к чистой, ковка часто выполняется в один этап. Другие процессы обработки металлов давлением, такие как прокатка и экструзия, также могут использоваться в качестве вторичных операций на уже спрессованных и спеченных деталях. Эти процессы также могут выполняться в холодном или горячем состоянии.
Механическая обработка деталей, изготовленных методом порошковой металлургии, широко распространена в промышленной производственной практике. Механическая обработка часто используется не для объемного удаления, а для мелких деталей. Некоторые особенности деталей, такие как боковые отверстия, не могут быть получены с помощью порошковой обработки. Элементы, не созданные при прессовании и спекании детали, могут быть получены позже механической обработкой. Общей проблемой при обработке деталей, обработанных порошком, является нежелательная пропитка пористой структуры детали охлаждающими и смазочными жидкостями, используемыми во время обработки. Для решения этой проблемы используются такие методы, как сухая обработка и инфильтрация (или пропитка) работы с другими материалами.
Калибровка и чеканка являются обычными отделочными операциями. Калибровка иногда используется для деталей, изготовленных порошковыми способами, чтобы придать детали окончательные размеры. Проклейка предполагает лишь небольшое, но точное геометрическое изменение в работе. В то время как калибровка может использоваться для повышения геометрической точности, чеканка может использоваться для улучшения качества поверхности и добавления деталей к деталям, созданным с помощью порошковой обработки.
Термическая обработка изделий порошковой обработки может производиться при условии, что пористость изделия рассчитывается как фактор производственного процесса. Повышенная пористость снизит теплопроводность металлической детали, в результате чего она будет нагреваться и охлаждаться медленнее, чем в противном случае.
Поверхностные процессы, такие как покраска или гальваническое покрытие, также используются при отделке изделий, обработанных порошком. Как и в случае других вторичных и отделочных процессов, необходимо учитывать пористость работы. Материалы для поверхностных покрытий не должны впитываться в пористую структуру работы. Инфильтрация и пропитка пористых деталей обычно используются для обработки поверхности.