Порошковая металлургия как прогрессивная технология обработки металлов

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси порошка  с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице. В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины.

Обычно мундштучное  прессование выполняют при подогреве  материала  изделия и в этом случае обычно не используют пластификатор; порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400...500*C, меди - 800...900*С, никеля - 1000...1200 С, стали - 1050...1250 *С. Для предупреждения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или прессование в защитных оболочках (стеклянных,  графитовых, металлических - медных,   латунных, медно-железной   фольге).   После   прессования оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных спрессованнному металлу.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой.  Шликер в этом случае - это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц 1... 2 мкм (реже до 5...10 мкм) и жидкости - воды, спирта, четырех- хлористого водорода. Взвесь порошка однородна и устойчива в течение длительного времени.  Форму для ликерного  литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка. Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси  (порошка  в жидкости).  Эти потоки возникают в результате, впитывая жидкости в поры гипсовой формы под действием вакуума или  центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаскалей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной  и  составляет 1...60  мин.  После  удаления  изделия  из  формы его сушат при 110...150*С на воздухе, в сушильных шкафах.

Плотность изделия достигает 60%, связь частиц обусловлена механическим зацеплением.

Этим способом изготовляют  трубы,  сосуды и изделия данной формы.

Динамическое  прессование - это процесс прессования с использованием импульсных нагрузок. Процесс имеет  ряд  преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Источником энергии являются:  взрыв заряда взрывчатого вещества,  энергия электрического разряда в жидкости,  импульсное магнитное поле,  сжатый газ,  вибрация.  В зависимости от источника энергии прессование называют   взрывным,  электрогидравлическим,  электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное выделение тепла в контактных участках частичек,  облегчающее процесс их деформирования и обеспечивающее большее уплотнение, чем при  статическом (обычном) прессовании.  Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в первые 3-30 с.  Наиболее эффективно  использование  вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких материалов.  С применением  виброуплотнения удается получить равноплотные изделия с отношением высоты к диаметру 4...5:1 и более.

Спекание.

Спеканием называют процесс развития межчастичного  сцепления и формирования свойств  изделия, полученных при нагреве  сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-механические  свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания н других факторов.

Твердофазное  спекание. При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы:  поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду.

Все металлы имеют  кристаллическое строение и уже  при  комнатной  температуре совершают  значительные колебательные движения относительно положения равновесия. С повышением температуры энергия  и  амплитуда  атомов  увеличивается и при некотором их значении возможен переход атома в новое положение, где его энергия и амплитуда снова увеличиваются и возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит название диффузии  и может совершаться как по поверхности (поверхностная диффузия),  так и в объеме тела (объемная диффузия). Движение атомов  определяется  занимаемым ими местом. Наименее подвижны атомы расположенные внутри контактных участков частичек  порошка,  наиболее подвижны атомы расположенные свободно - на выступах и вершинах частиц.  Вследствие этого,  т.е. большей подвижности  атомов  свободных  участков и меньшей подвижности атомов контактных участков, обусловлен переход значительного количества атомов к контактным участкам.  Поэтому происходит расширение контактных участков и округление пустот между частицами без изменения объема при поверхностной диффузии. Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии.  При  этом происходит  изменение геометрических размеров изделия - усадка.

Усадка при спекании может проявляться в изменении  размеров и объемах  и поэтому различают линейную и объемную усадку. 

При спекании иногда наблюдается  нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки  или  в увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных напряжений после прессования, наличие невосстанавливающихся окислов, фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при химических реакциях  восстановления  окислов газов. 

Увеличение давления  прессования приводит к уменьшению усадки (объемной и линейной),  повышению  всех показателей прочности -  сопротивлению разрыву и сжатию, твердости. С повышением температуры плотность и прочность спеченных изделий в общем возрастает  тем  быстрее, чем ниже было давление прессования. Выдержка при постоянной температуре вызывает  сначала  резкий,  а затем  более  медленный  рост  плотности,  прочности  и  других свойств спеченного изделия.

Горячее прессование  это процесс одновременно прессования  и спекания порошков. Наиболее существенными результатами горячего прессования являются максимально быстрое  уплотнение и получение  изделия  с  минимальной пористостью при сравнительно малых давлениях. Изделия после горячего прессования обладают более высоким пределом текучести,  большим удлинением, повышенной твердостью, лучшей электропроводностью и более точными размерами, чем изделия  полученные  путем  последовательного прессования порядка и спекания.  Указанные свойства тем  выше,  чем  больше  давление прессования.  Горячепрессованные  изделия  имеют мелкозернистую структуру.

Жидкофазное спекание.  При  жидкофазном спекании в случае смачивания жидкой фазой твердой фазы увеличивается сцепление твердых частичек, а при плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит процесс спекания, препятствуя уплотнению. Смачивающая жидкая фаза приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы. При жидкофазном спекании можно получить практически беспористые изделия. Различают спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса спекания,  и  спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3.Изделия  порошковой металлургии и их свойства:

3.1. Металлокерамические  подшипники:

 

Металлокерамические материалы  являются в ряде случаев эффективными заменителями антифрикционных подшипниковых сплавов - бронзы, латуни и др.

В подшипниках скольжения находят применение следующие металлокерамические материалы: бронзографит, пористое железо и пористый железографит.

Одно из основных преимуществ  металлокерамических вкладышей  заключается в наличии в них пор, способствующих образованию устойчивой масляной пленки в подшипнике. В результате предварительной пропитки вкладыша (втулки) в нагретом масле большое количество капилляров вкладыша заполняется маслом и благодаря этому трущаяся поверхность обеспечивается смазочной пленкой в течение длительного времени.

Различные режимы работы требуют применения металлокерамических  подшипников с различной степенью пористости. Для тяжелых условий  работы (ударные нагрузки, высокие скорости), при которых нужна повышенная механическая прочность опоры, следует применять подшипники из мелких порошков (обладающие более высокими механическими и антифрикционными качествами, чем подшипники из крупных порошков) с низкой пористостью.

Пористые железографитовые подшипники изготавливают преимущественно в виде цилиндрических втулок и поставляют в готовом к установке виде. При назначении толщины стенки исходят из условий прочности и способности материала впитывать масло.

 

3.2. Пористые  материалы и возможности их  применения в промышленности.

 

К группе пористых относятся антифрикционные, фрикционные материалы, фильтры и так называемые "потеющие" материалы.

Бронзовые фильтры обычно изготавливаются из порошков со сферической  формой частиц, полученных путем распыления жидкого металла. Температура спекания составляет 800 – 900 С. Бронзовые фильтры находят широкое применение в промышленности для очистки жидкого горючего в дизелях и реактивных двигателях, смазочных материалов и сжатых газов от твердых примесей размерами 5 – 200мкм, а также для очистки разбавленных кислот и щелочей, расплавленного парафина и т.д.

Пористые материалы, изготавливаемые  из порошков электролитического и карбонильного никеля методом прессования и последующего спекания при температуре 1000 – 1100 С, предназначены для работы в качестве фильтров и пористых электродов. Последние находят широкое применение в электрохимии и катализе. Фильтры из нержавеющих сталей показали хорошие результаты при очистке жидкого литья, горячего доменного и мартеновского газов. Как преграда для распространения пламени они находят применение в автогенной технике, в производстве ацетилена, в газопламенной обработке металлов, в резервуарах низкокипящих и взрывоопасных жидкостей. Применение пористых материалов для борьбы с обледенением самолетов позволяет снизить на 50% расход антифриза.  Использование пористого титана в различных отраслях техники обусловлено рядом его ценных свойств, главным из которых является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и высокая удельная прочность.

Пористое охлаждение - один из эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и механизмов. Испарительное охлаждение предусматривает принудительное пропускание жидкости через пористую среду. Весьма перспективно применение в промышленности тепловых труб, обеспечивающих выравнивание температурного поля в различных аппаратах и установках и изотермические условия обработки тех или иных материалов. Так, использование низкотемпературных тепловых труб в электрических машинах для охлаждения роторов и статоров двигателей, генераторов, а также обмоток трансформаторов позволило увеличить их мощность на 30 – 50%. Успешно используются тепловые трубы для охлаждения высоковольтных выключателей большой мощности. Тепловые трубы и паровые камеры имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными элементами передачи тепла, например, циркуляционными теплообменниками: они не имеют подвижных деталей, бесшумны, не требуют расхода энергии на перекачку теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения, обладают малым термическим сопротивлением по сравнению с металлическими стержнями таких же геометрических параметров и имеют небольшой вес.           

Вышеперечисленных примеров достаточно, чтобы показать широкие  возможности для использования  пористых материалов в различных  отраслях техники. Трудно предвидеть все возможные области применения пористых материалов и изделий из них. Одно несомненно: потребность в пористых материалах возрастает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4. Расчет экономического эффекта

Оценка эффективности мероприятия.

Целью данного расчёта является определение экономической эффективности от внедрения новой технологии. Предлагается на предприятии для снижения трудоёмкости обработки поверхности металла внедрить новую технологию. Вместо двух резцов (проходного и каналочного) установить один (фасонный).

Исходные данные для  расчета годовой экономической  эффективности представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Исходные данные для расчёта годового экономического эффекта от внедрения новой технологии обработки поверхности металла

 

Показатели	Условное обозначение	Единицы измерения	Значение показателей
1. Количество человек,  охваченных мероприятием	Ч	чел.	3
2. Годовой фонд рабочего  времени 1 слесаря	Фвр	час.	17
3. Затраты рабочего  времени - до внедрения мероприятия - после мероприятия	Звр1 Звр2	час. час.	7 4
4. Фонд зар/пл среднегодовой  на одного слесаря до и после  мероприятия (2500 руб. .12 м.)	Фз/п ср.	тыс.руб.	28,8
5. Затраты на проведение  мероприятия	Зед	тыс.руб.	2,1
6. Нормативный коэффициент  сравнительной экономической эффективности мероприятий	Ен	%	0,15
7. Норма амортизационных  отчислений	ан	%	12