ГЛАВА 8 ПРАХОВА МЕТАЛУРГИЯ 8.1. Основни сведения Праховата металургия като понятие е свързана с особеностите на производството на детайли, заготовки и изделия от прахове и смеси от прахове. Характерното за нея е, че основните металургични процеси протичат в рамките на праховата частица. Праховата металургия е производствен метод, който се характеризира с висок икономически ефект, минимални загуби на материали и енергия и с продукция, която разширява спектъра от свойства на материалите. Изходните материали в праховата металургия най-често са метални прахове, прахове на сплави и по-рядко прахове на някои неорганични съединения - оксиди, карбиди, силициди, бориди и др. Принципната схема на общия технологичен процес за производството на изделия по метода на праховата металургия е представена на фиг.8.1. В нея са поместени основни и допълнителни операции. Към основните (изчертани с плътни линии) се отнасят производство на прахове и смеси, пресуване(или други формообразуващи операции за получаване на желаната форма и размери на изделието) и спичане. Често се налага да се прилагат и допълнителни операции (изчертани с пунктирана линия), които могат да бъдат предварително спичане, междинно обработване и довършителни операции - калиброване, термична обработка, механична обработка и др.
Изделията на праховата металургия се характеризират със специфични свойства, най-характерното от които е пористостта. Тази величина се изменя в широки граници - от незначителен процент, което доближава праховометалургичните изделия до плътните изделия, до много голям процент (90%), което създава възможност тези изделия да се използват като филтри. Праховата металургия създава възможности за: - Производство на материали със специфични свойства, необходими за съвременната техника, които не могат да бъдат произведени чрез други познати методи - твърди сплави, високотемпературоустойчиви материали, контактни материали, антифрикционни материали и др., характеризиращи се със сложна форма, висока точност и гладкост на повърхнините. Колкото по-сложна е конфигурацията на детайлите и изделията, толкова по-рационално е използването възможностите на праховата металургия; - Механизиране и автоматизиране на технологичните процеси, което е предпоставка за значително увеличаване на производителността; - Максимално оползотворяване на материалите - до 95-100% от вложените материали; - Намаляване на енергийните разходи в сравнение с тези за другите производства, като съществуват данни, че икономията на електрическа енергия, твърдо и течно гориво при праховометалургично производство възлиза на около 45%; - Безотпадъчно по-екологично чисто производство; - Оползотворяване на отпадъците от други производства - окиси, сулфиди и други, които се използват за производство на прахове. Наред с отбелязаните предимствата е необходимо да се отчете, че праховометалургичното производство е по-скъпо в сравнение с това на компактните материали. Недостатък на праховометалургичната продукция е наличието на пори, което води до намаляване на механичната якост на изделията. 8.2. Методи за производство на метални прахове. Технологични свойства Основни материали, използвани в праховата металургия са праховете. Най-често праховете са метални и това предопределя техните свойства - физични, химични, технологични (течливост, формуемост, пресуемост, спекаемост) и има отношение за избора на технологичния процес и за осигуряване на необходимото качество на произвежданите детайли (заготовки или изделия). За целите на праховата металургия в зависимост от големината на произвежданите изделия, се използват прахове с едрина на частиците от 40 до 400 mm. В някои специални случаи обаче, са необходими много фини прахове, чиито частици са с размери от 0,1 до 2 mm. Съществуват различни методи за производство на метални прахове, които могат да бъдат класифицирани в две големи групи: 1) физико-механични; 2) химико-металургични методи. Качеството на праха и свойствата му - размер и форма на частиците, състояние на тяхната повърхност и т.н., зависят в голяма степен от метода за производство. Към физико-механичните методи се отнасят смилане на изходните материали в твърдо състояние, диспергиране на течна метална струя и др. Тези методи се характеризират със запазване на химичния състав на изходните материали. Понастоящем смилането се прилага най-често като довършителна операция, но поради повишения интерес към оползотворяването на стружкови отпадъци и др., използването на този метод ще се увеличава. Като перспективен и ефективен метод за получаването на прахове от твърди изходни материали се счита раздробяването под въздействието на центробежни сили или чрез ултразвук. От физико-механичните методи най-широко приложение за производството на качествени прахове има диспергирането на течна метална струя поради минималните средства, необходими за организиране на производството и високата производителност. Втората група методи за производството на метални прахове са химико-металургичните методи, характеризиращи се с голямо разнообразие. Широко разпространение има редукцията на металните окиси с подходящи редуктори - въглероден окис, водород, въглерод и др. Особено чисти метални прахове се получават чрез електролиза на метални соли, а също чрез термична дисоциацня на метални карбонили или хидриди. В някои случаи, особено ефективно е металните прахове да се получават чрез методите на металотермията, като най-често използваните редуктори са алуминий, натрий, магнезий и др. Приложението на операциите за получаване на детайли, изделия и заготовки по метода на праховата металургия зависи от технологичните свойства. Тези свойства зависят от физичните и химичните им свойства. Много често дадено технологично свойство зависи едновременно от няколко свойства. Най-важните технологични свойства на праховете са насипна плътност на свободно насипан и на стръскан прах, течливост, пресуемост и други. Под насипна (обемна) плътност на праха се разбира масата на свободно насипан прах в единица обем (g/cm3, kg/m3). Между насипната плътност и плътността на пресуваната заготовка има разлика, която се дължи на междините между отделните частици. Обемът на свободно насипвания прах превишава около 2-3 пъти обема на пресуваната от него заготовка. Това трябва да се отчита при конструирането на пресформата. Под течливост на праховете се разбира способността им да изтичат през отвори с различна скорост (g/s). При масово производство праховометалургичните изделия се създават на автоматични преси и пресформи, които трябва да се запълнят бързо и равномерно с постоянно количество прах. В този случай течливостта е много важна характеристика и трябва да се познава. Течливостта на праховете може да се измени при неправилното им съхранение вследствие на образуването на окисни корици върху частиците и поглъщането на влага. Пресуемост е свойство на праховете да се уплътняват под въздействието на всестранен натиск върху тях и да запазват придобитата форма. Като количествена оценка на пресуемостта се използува налягането, при което се получава заготовка (брикет) с определена плътност. Пресуемостта зависи от метода на получаване, размерите и формата на частиците на праха, наличието на окиси и други включвания. Обикновенно формуемостта се свързва с пресуемостта. Под формуемост се разбира минималното налягане, което е необходимо за да се получи здрав брикет. Спекаемост е способността на пресуваните заготовки да променят своите физико-механични свойства при висока температура. Съществуват различни методи за определяне на спекаемостта. Най-често изборът им зависи от вида на изделието. Следи се изменението на избрано физико-механично свойство за определени времена на нагряване и изменението на геометричните размери. Едно от условията при получаване на прахове и смеси са такива, че детайлът след спичане да не променя геометричните си размери, придобити от пресуването. 8.3. Технологични методи За да се получат изделия по метода на праховата металургия, металните прахове се подлагат последователно на формуване, спичане и дообработване. В съвременното праховометалургичното производство са известни следните методи за формуване на метални прахове: 1) пресуване на студено или горещо; 2) шликерно леене; 3) валцуване. 8.3.1. Пресуване на метални прахове Смесването е една от важните предварителни операции. От правилното и качествено провеждане на смесването и равномерното разпределение на компонентите зависят и свойствата на готовите изделия. Смесването може да се осъществи по механичен или по химичен начин. Факторите, които оказват влияние върху механичното смесване, са размер и форма на частиците на смесващите се компоненти: плътност на компонентите; характер на средата, в която се извършва смесването; вид на смесителния апарат и параметри на работата му (вместимост, наличие на смилащи тела, честота на въртене, продължителност). При механичното смесване се извършват едновременно разтрошаване и смесване на праха. Най-често използуваният агрегат за механично смесване е топковата мелница, а за обработване на по-големи количества-смесител тип "пияна" бъчва (фиг.8.2) или конусен смесител (фиг.8.3.).
Смесителят тип "пияна" бьчва представлява барабан, който е закрепен ексцентрично спрямо оста на въртене. Смесването се осъществява както от въртенето, така и от различния ъгъл на падане на шихтата в барабана, чийто наклон непрекъснато се променя. Механичното смесване в изброените смесители се провежда в сухо състояние. Подобен принцип на действие има конусният смесител. Химичният метод на смесване се осъществява чрез съвместно утаяване на изходните компоненти на шихтата от разтвора под формата на окиси, карбонати, оксалати, следващо изпаряване на водния разтвор и редуциране на металните прахове. Чрез химичното смесване се постига много добро хомогенизиране на праховете, но този метод има ограничено приложение. Трудноуплътняемите метални прахове се подлагат на пластифициране. Пластификаторите улесняват триенето между частиците и между тях и стените на пресформата. Чрез тях се придава допълнителна механична якост на пресуваните изделия. Като пластификатори могат да се използват предимно органични вещества - каучук, парафин, восък, цинков стеарат, олеинова киселина и др. Преди да се пристъпи към пресуване, подготвеният материал се дозира и се насипва в пресформите. Дозирането се извършва по маса или по обем. Дозирането по маса се прилага при неавтоматично пресуване на дребносерийни изделия, както и при пресуване на дефицитни или благородни метали, чиито размери трябва да се спазват точно. При автоматично пресуване се прилага дозиране по обем, при което се изисква използването на прахове с постоянна насипна плътност. При пресуването определено количество метален прах, предварително подготвен и дозиран, се насипва в кухината на пресформата. Посредством поансона се прилага налягане, в резултат на което прахът се формува в брикет. След прекратяване на налягането, брикетът се изважда от пресформата (фиг.8.4).
Вследствие на триенето на частиците една в друга, наречено вътрешно триене на заклинването им една в друга, върху стените на пресформата се предава значително по-ниско налягане, отколкото по посока на пресуването. В процеса на пресуването между външния слой на праха и стените на пресформата се появяват сили на триене, т.нар. външно триене, чиято стойност расте с повишаването на налягането на пресуване. Наличието на външно триене води до създаването на значителен градиент на налягането по височината на пресформата. Сили на триене се явяват между повърхността на поансона и пресувания брикет. Неравномерното разпределяне на налягането води до неравномерно уплътняване на брикета на различни места. Плътността на брикета се достига постепенно. 8.3.2. Шликерно леене Чрез шликерно леене се изработват тигли, цилиндрични или правоъгълни заготовки, турбинни лопатки и т.н. При тази технология праховата шихта се суспензира в течност и течният пулп се излива в гипсова форма, която адсорбира течността. Полуфабрикатът се изважда от формата и се подлага на окончателно сушене и спичане. Този метод е известен като шликерно леене и намира широко приложение както в керамичната промишленост, така и в праховата металургия (фиг.8.5). Прилага се с успех при формуване на изделия със сложна конфигурация от труднопресуеми прахове на карбиди, нитриди, силиций, хром, бориди.
При приготвянето на шликер, т.е. суспензия от метален прах и подходяща течност, като течна среда се използва вода с добавка на малко количество солна киселина, натриев или амониев алгинат, железен хлорид, тетрахлорметан с добавка на солна или оцетна киселина. Добавките възпрепятстват слепването на частиците, създават се устойчиви колоидни суспензии и се подобрява умокрянето. За приготвяне на шликера за предпочитане е да се подбират ситни метални прахове с размер на частиците не повече от 5-10 mm при съдържание на суспензиите 40-70 масови %. Едрозърнестите метални прахове не образуват добра суспензия. Свойствата на суспензията се определят от някои характеристики на течността, като плътност, вискозитет, температура, киселинност, а също и от съдържанието на праха, вида и количеството на добавките, наличието на въздух, попаднал в пулпа. Шликерите се приготвят по два начина. При първия от тях се извършва смилане на металния прах в течността, а при втория- металният прах предварително се издребнява и след това се смесва с течността. Вторият етап при шликерното леене (фиг.8.6.) е заливането на шликера във формата.
Целесъобразно е при изливане на шликера във формата, да се придават вибрации. Така се получава по-качествен полуфабрикат с малка крайна пористост. В процеса на сушенето гипсовата форма активно адсорбира влагата от пулпа и частиците на праха механично се зацепват помежду си, като образуват достатъчно здрав полуфабрикат с необходимата конфигурация и пористост 30-60%. Здравината на суровите изделия зависи в значителна степен от тяхната влажност и съдържанието на свързващите вещества в шликера. Сушенето на изделията във формите може да продължи няколко часа. За да се предотврати прилепването на изделията във формата, се използват различни обмазки, например 2%-ен разтвор на натриев алгинат, който не пречи на поглъщането на влагата и възпрепятства прилепването, допринасяйки за лесното отделяне на изделието. Извадените от формата образци се подлагат на окончателно сушене и спичане. Нагряването до температурата на спичането трябва да се извърши бавно поради голямата начална пористост на изделията и наличието на остатъчна влага. Плътността на изделията е голяма и еднородна по целия обем. В случай че се използват частици с различни размери, утаяващи се с нееднаква скорост, плътността може да бъде нееднородна. Такива изделия с определен градиент на пористост и размери на порите могат да намерят приложение като филтри. 8.3.3. Горещо пресуване Методът на едновременно провеждане на процеса пресуване и спичане е известен като горещо пресуване. В зависимост от температурата на процеса се прилага следната класификация: 1) нискотемпературно пресуване - провежда се при температури, по-ниски от стайната; 2) студено пресуване - при стайна температура; 3) полугорещо пресуване - при температура, по-ниска от температурата за механично уякчаване; 4) горещо пресуване - температура по-висока от тази на температурата на рекристализация. При горещо пресуване обикновено работната температура е 0,5-0,8 от температурата на топене на металния прах. Благодарение на нагряването процесът на уплътняването на брикетите при горещото пресуване протича по-интензивно в сравнение с обикновеното пресуване и спичане. Така се получават практически плътни изделия. Времето за провеждане на процеса е малко. Получават се брикети с висока плътност. При повишаване на температурата се увеличава пластичността на праха, поради което се използват неколкократно по-ниски налягания, отколкото при обикновеното пресуване. Съществен момент в технологията на горещо пресуване е прилагането и прекратяването на налягането. Налягането на пресуване се прилага, когато материалът се нагрее до необходимата температура. Това дава възможност да се извърши обезгазяване на праха и да се избегне противоналягането на газа в закритите пори. Важно за технологията на горещото пресуване е качеството на материала, от който се изработват пресформите. Те трябва да имат висока топлоустойчивост, огнеупорност, а коефициентът им на температурното разширение да съответства на този на брикетите. Горещото пресуване може да се извърши в защитна среда, във вакуум или на въздух. Нагряването може да се осъществи по няколко метода: високочестотно, използване на различни видове външни нагреватели (графитни, нихромови, молибденови); чрез пропускане на електрически ток през пресформата или пресувания брикет. На фиг.8.7. са посочени схеми за нагряване с използване на различни източници.
8.3.4. Валцуване на метални прахове Валцуването на метални прахове представлява процес на непрекъснато пресуване на праха между въртящи се един срещу друг валци. Предимствата му се изразяват в това, че: - могат да се получат изделия с голяма дължина и широчина; - изработват се изделия от материали с висока чистота, като изделия от труднотопими съединения. Процесът на валцуване на метални прахове има и редица предимства пред валцуването на ляти метали, а именно: - могат да се получават многокомпонентни изделия; - получават се изделия от недеформируеми или труднодефомируеми сплави или изделия, които чрез леене не могат да се изработят; - използват се по-евтини суровини; - агрегатите имат по-висока производителност. Недостатък на процеса валцуване е, че не могат да се получат ленти с по-голяма дебелина, а широчината им е ограничена от обхвата на валците. Лентата, която се получава при валцуване на праха, има изотропни свойства. Това е много важно за редица области на приложение. Получават се конструкционни, филтърни, магнитни, антифрикционни, фрикционни и контактни материали. 8.4. Производство на изделия от твърди сплави Твърдите сплави са композиция от няколко компонента. При тях са съчетани голямата твърдост и износоустойчивост на трудно топими съединения (най-често карбиди на волфрама, титана, молибдена, ванадия, тантала, ниобия и др.) с пластичността на връзката (кобалт, никел, желязо). Развитието на праховата металургия е тясно свързано с производството на твърдите сплави. Режещите инструменти от волфрамов карбид и свързващо вещество от кобалт (кермети) са едни от първите праховометалургични изделия. Материалите за тези режещи инструменти получиха названието металокерамични твърди сплави, поради това, че съдържат няколко компонента и имат много голяма твърдост. Понастоящем освен металокерамични твърди сплави се произвеждат и минералокерамични твърди сплави, които не съдържат свързващ метал, и лети твърди сплави (релит, стелит, сормайт и др.). Летите твърди сплави не се произвеждат по методите на праховата металургия. Свойствата на праховометалургичните твърди сплави зависят от: - количеството на твърдите труднотопими карбиди и свойствата им; - количеството на меките, свързващи метали и свойствата им; - характера на взаимодействието между карбидите и свързващите метали; - големина на зърната на компонентите и с труктурата им и др. Свойствата на твърдите сплави зависят от химичния състав и количеството на уякчаващите фази. Твърдостта им се увеличава при увеличаване на количеството на карбидите, а пластичността и якостта на огъване нарастват с увеличаване на количеството на меката основа. Механичните свойства зависят не само от химичния състав, но и от структурата. При един и същи химичен сьстав, колкото по-фини са карбидните частици, толкова по-големи са твърдостта и износоустойчивостта. Якостта на огъване на волфрамовите твърди сплави нараства до съдържание на 28% кобалт, а при волфрамово-титановите твърди сплави твърдостта на сплавта е най-голяма при 22-24% кобалт. Основната част от произвежданите твърди сплави се използват за изработването на режещи инструменти, които при голямата скорост на рязане значително се нагряват. Налага се да се отчита зависимостта между твърдостта на материала и температурата. Волфрамо-кобалтовите твърди сплави се използват при машинно обработване на метали, които образуват крехка прекъсната стружка. Използуването им за обработване на метали, които дават непрекъсната стружка, е невъзможно поради склонността на резеца да се заварява с обработвания метал. За такива случаи се препоръчва резците да се изработват от волфрамо-титанови твърди сплави. При високи температури частиците на титановия карбид се покриват с тънък окисен слой, което прави невъзможно заваряването на резеца със стружката. Добавянето на танталов карбид към твърдата сплав води до повишаване на износоустойчивостта и корозионната устойчивост. Тантало-титано-кобалтови твърди сплави се използват главно при грубо рязане на стоманени заготовки и при рязане на заваръчни шевове, където не може да се работи с други твърди сплави. Класификация и маркировка на твърдите сплави Твърдите сплави могат да се класифицират по различни признаци. В зависимост от начина на производството те биват метало- и минералокерамични и лети твърди сплави. За практиката е от особено значение класификацията на твърдите сплави да се осъществява в зависимост от тяхното предназначение. Въз основа на този белег те се класифицират на: 1. Инструментални твърди сплави. Използват се за изработване на твърдосплавни пластинки, свредла, фрези и др. Те се класифицират допълнително на твърди сплави за износоустойчиви инструменти, твърди сплави за рудодобивни инструменти и др. 2. Конструкционни твърди сплави. Използват се за изработване на износоустойчиви детайли и механизми, които работят при условия на триене и големи натоварвания. 3. Твърди сплави за високотемпературната техника. Използват се за изработване на изделия, които работят при висока температура, при големи натоварвания и под въздействието на окислители - лопатки на газови турбини, самолетни детайли и други. Маркирането на конструкционните материали представлява съкратен начин на записване на важни за тях технически данни. Използват се утвърдени от стандартите буквени и цифрови означения. Маркирането създава удобства при оформяне на технологичната документация, при проектиране на детайли и изделия и др. Възприето е твърдите сплави да се маркират по данни за химичния им състав. При маркирането на многокарбидните твърди сплави е възприето чрез цифровото означение да се изразява сумарното количество на карбидите. Например, в сплавта Т7К12 количеството на титановия карбид е 7%, количеството на кобалта е 12%, а това на волфрамовия карбид - 81%. В България действат международно приети означения Р, М и К. Материалите Р се използват за рязане на метали, които дават непрекъсната стружка, М - за рязане на всички материали, К - за рязане на крехки материали. Числото след буквата е номер, увеличаването му отговаря на повишаване на якостта на сплавта. Сплав Р10 отговаря на Т15К6, М30 - на ВК8. В таблица 8.1 са изнесени данни за приложението на някои марки твърди сплави.
Праховометалургични инструменти от диамант За изработване на режещи инструменти, инструменти за сондиране и рудодобив се използва и диамантът, независимо от високата му цена. Интересът към диаманта не е случаен. Той има висока твърдост, износоустойчивост и топлоустойчивост. Получаването на диамантени пластинки, фрези, коронки и др. се извършва по методите на праховата металургия. Диамантените инструменти имат много висока производителност, по-голяма от тази при резци от твърди сплави. Срокът на експлоатация на диамантените изделия е по-голям от този на твърдите сплави. Качеството на обработените повърхнини е много високо. « « « предходна страница Съдържание » » » |