Сплавы алюминия (порошковые и гранулированные)

  Текучесть - способность порошка заполнять форму. Она характеризуется скоростью прохождения порошка через отверстие определенного диаметра. С уменьшением размера частиц порошка его текучесть ухудшается. Текучесть в большей степени влияет на равномерность заполнения формы порошком и на скорость уплотнения при прессовании.

  Прессуемость— способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и характеризуется прочностью сцепления частиц порошка после прессования. На прессуемость оказывают влияние пластичность материала, размер и форма частиц порошка. С введением в состав порошков поверхностно-активных веществ прессуемость их повышается. Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц, возникающую в результате термической обработки прессованных заготовок.

  Приготовление шихты. Дозированные порции порошков определенного химического и гранулометрического состава и технологических свойств смешивают в барабанах, мельницах и других устройствах. При необходимости особо равномерного перемешивания шихты применяют добавки спирта, бензина, глицерина и дистиллированной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы, облегчающие прессование (парафин, стеарин, глицерин и др.), легкоплавкие присадки, летучие вещества, позволяющие получать изделия с заданной пористостью.

Формование  заготовок и изделий. Прессование  порошков в холодном или горячем состоянии осуществляют прокаткой и другими способами. При холодном прессовании в матрицу пресс-формы засыпают шихту и рабочим пуансоном производят прессование. После снятия давления изделие выпрессовывают из матрицы выталкивающим пуансоном. В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформациям, при этом резко увеличивается контакт между частицами порошка и уменьшается пористость, что дает возможность получить заготовку нужной формы и достаточной прочности. Прессование выполняют на гидравлических или механических (эксцентриковых кривошипных) прессах. Давление прессования составляет 200-1000 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия.

  Широкое распространение получили прессы автоматического  действия. Шихта, загружаемая в приемный бункер, перемешается в заполняющий рукав под действием собственного веса. Рукав заканчивается над пресс-формой и может перемещаться по столу пресса. Положение нижнего выталкивающего пуансона определяет количество засыпаемого порошка, т.е. в данном случае дозировка и питание пресс-формы совмещаются. После заполнения пресс-формы рукав отходит в сторону и дает возможность произвести давление посредством верхнего рабочего пуансона. Заготовка выталкивается нижним пуансоном, а рукав перемещается для следующей засыпки, одновременно сталкивая заготовку со стола в специальный лоток. Такие прессы иногда снабжаются вращающимися столами, на которых устанавливается несколько пресс-форм. Производительность     автоматических прессов достигает несколько тысяч заготовок в час.

  При горячем прессовании  в пресс-форме изделие не только формуется, но и подвергается спеканию, что позволяет получать беспористый материал с высокими физико-механическими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или восстановительной атмосфере, в широком интервале температур (1200—1800°С) и при более низких давлениях, чем холодное прессование. Приложение давления обычно производится после нагрева порошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из трудно деформируемых материалов (боридов, карбидов и др.).

     Прокатка металлических порошков является непрерывным процессом

получения изделий в виде лент, проволоки, полос  путем деформирования в холодном или горячем состоянии. Прокатку производят в вертикальном, наклонном и горизонтальном направлениях. Наилучшие условия формования изделия создаются при вертикальной прокатке. Сначала порошок из бункера поступает в зазор между вращающимися обжимными валками и обжимается в заготовку, которая направляется в проходную печь для спекания, а затем прокатывается в чистовых валках. Объем порошка при прокатке уменьшается в несколько раз. При прокатке ленты отношение диаметра валков к толщине ленты от 100: 1 до 300: 1. Скорость прокатки порошков меньше скорости прокатки литых металлов и ограничивается текучестью порошка. Поэтому линейная скорость поверхности вращающихся вал ков должна быть меньше скорости перемещения металлического порошка из бункера в зазор между валками. Прокаткой можно получать однослойные и многослойные изделия, ленты толщиной 0,025-3 мм и шириной до 300 мм, проволоку диаметром от 0,25 мм и более и т. д. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации.

  Для придания деталям и изделиям необходимой  прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий некоторое время в печи при температуре, примерно равной 0,6—0,8 температуры плавления основного компонента. Спекание производят в электропечах сопротивления, индукционным нагревом или путем непосредственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления металлических порошков спекание ведут в аргоне, гелии, вакууме или в среде водорода. Во избежании коробления тонкие и плоские детали спекают под давлением. Для придания изделиям окончательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, химико-термической обработке и размерной обработке электрофизическими методами, повторному прессованию.

  Калибрование  заключается в продавливай и  и спеченного изделия через отверстие соответствующего сечения в пресс-форме. В результате калибрования происходит уточнение размеров изделия, полирование его поверхности и некоторое снижение пористости.

  Обработку резанием выполняют для получения  из прессованных заготовок деталей сложных форм (волоки для волочения, твердосплавные вставки и матрицы штампов и т.д.), для нарезания небольших по диаметру, но глубоких отверстий.

  Химико-термическую  обработку (азотирование, хромирование, цианирование и т. д.) выполняют так же, как и для металлов. Наличие пористости способствует более активному осуществлению химико-термических процессов.

  Электрофизические методы — электроискровую и электроимпульсную  обработку применяют для получения  деталей сложной формы. Сущность электроискровой обработки заключается  в использовании электроимпульсного искрового разряда между двумя электродами, один из которых является обрабатываемой заготовкой (анод), а другой - инструментом (катод). При электроимпульсной обработке применяют обратную полярность включения электродов. Это приводит к меньшему износу инструментов — электродов и повышению производительности в несколько раз, чем при электроискровой обработке. Эти методы основаны на использовании явления эрозии (разрушения) токопроводящих электродов при пропускании между ними импульсного электрического тока. В результате возникающего разряда температура на поверхности обрабатываемой заготовки — электрода возрастает за очень малый промежуток времени до 10000-12000°С, металл мгновенно оплавляется и испаряется. Удаленный металл застывает в среде диэлектрической жидкости в виде гранул.

  Повторное прессование используют для изготовления деталей сложной формы. Повторным  прессованием обеспечиваются заданные размеры и требуемая форма  заготовки, имеющей после первого  прессования более простую форму  и приближенные размеры. 

3. Гранулированные сплавы алюминия

     Гранулированные сплавы - конструкционные металлические материалы, полученные путём изостатического прессования при высоких давлениях (компактирования) мельчайших частиц (гранул) сплавов определенного химического состава, закристаллизовавшихся с высокой скоростью. Металлургия гранул - одно из перспективных направлений порошковой металлургии. В авиационной промышленности широкое применение находят гранулируемые сплавы на основе никеля, титана, алюминия.

     Технологическая схема изготовления  заготовок или деталей методом  металлургии гранул включает  следующие операции; приготовление  расплава, по химическому составу  соответствующего заданному сплаву; получение гранул (используются  методы центробежного распыления  заготовок, оплавляемых плазменной  дугой, распыления расплава сжатыми  инертными газами, центробежного  распыления расплава и др.); рассев  и сепарация гранул; дегазация  гранул и засыпка их в герметичные  металлические или керамические  формы; компактирование гранул  в заготовки с плотностью, близкой  к теоретической, методами горячего  изостатического прессования (в  специальных аппаратах - газостатах  или высокотемпературных гидростатах)  или в контейнерах обычных  гидравлических прессов. 

     Первичное компактирование может  дополняться прессованием, ковкой  или штамповкой, Компактные заготовки  подвергают затем термической  и механической обработке и  контролю качества.

 Важная  характерная особенность металлургии  гранул - высокая скорость затвердевания  капель металлического расплава: если затвердевание промышленных  слитков проходит при скорости  охлаждения менее 1°С/с, то при  затвердевании гранул размером  до 200-300 мкм скорость охлаждения  в интервале кристаллизации превышает  10 000°С/с.

 Высокие  скорости охлаждения, достигаемые  при кристаллизации гранул, в  сочетании с горячим изостатическим  прессованием обеспечивают ряд  преимуществ нового технологического  процесса: отсутствие в больших  объёмах зональной ликвации и  высокая однородность состава,  структуры и свойств изделий  даже из сложнолегированных сплавов;  значительно меньшая чувствительность  свойств к размерам заготовок  и деталей; измельчение структуры  сплава в сочетании со смещением  фазовых равновесий по диаграмме  состояния; возможность изготовления  деталей или точных заготовок  сложной формы при минимальной  трудоёмкости; резкое сокращение  расхода металла; возможность  получения изделий из сплавов  с повышенным содержанием легирующих  компонентов, а также создания  нового класса материалов переменного  химического состава, обеспечивающих  значительное повышение механических, эксплуатационных и многих специальных  характеристик. 

    Так, в сплавах алюминия с  переходными металлами в несколько  раз увеличивается растворимость  (пересыщение твёрдого раствора), что приводит к существенному  повышению конструкционной прочности  и жаропрочности. Гранулируемые  сплавы алюминия со свинцом,  которые невозможно получить  традиционным способом, значительно  превосходят известные алюминиевый  сплавы с оловом по антифрикционным  свойствам. 

     Гранулирование, приводя к многократному  измельчению хрупких первичных  кристаллов, даёт возможность, эффективно  деформируя брикеты, получать  изделия с низким коэффициентом  линейного расширения (сплавы алюминия  с высоким содержанием кремния)  и с хорошим сочетанием прочности  и электрической проводимости  при повышенных температурах (сплавы  алюминия с редкоземельными металлами).

     Из высоколегированных никелевых  сплавов, не поддающихся обработке  давлением из-за малой пластичности  в литом состоянии, методом  металлургии гранул изготовляются  диски газотурбинных двигателей. Предел прочности этих дисков  на 20%, а при высоких температурах  на 30% выше, чем у дисков, получаемых в серийном производстве обычными способами. Новая технология позволяет снизить массу деталей и увеличить ресурс.

     Наряду с гранулируемыми сплавами  на основе никеля, титана, алюминия  получают распространение и другие  гранулируемые материалы. Так,  гранулируемые быстрорежущие стали  обеспечивают значительно более  высокую стойкость режущего инструмента  и возможность замены дефицитных  легирующих элементов. Металлургия  гранул открывает широкие перспективы  для повышения свойств сплавов  на основе различных металлов.

     Метод гранулирования, обеспечивающий высокие скорости охлаждения при кристаллизации (10³ - 10⁵ град/с) позволяет:

     - резко диспергировать все структурные составляющие (эвтектические и первичные интерметаллиды, а также непосредственно твердый раствор);

     - образовывать аномально пересыщенные твердые растворы ряда переходных металлов в Аl;

     - легировать сплавы металлами, ранее не применявшимися для легирования деформируемых Аl сплавов (W, Мо,Со, PЗМ, Рb, Sn, In и др.).