Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние различных факторов на процесс прессования порошковых брикетов

01.05.2019


В этом разделе мы обобщим частично изложенные ранее сведения о влиянии разнообразных факторов на прессуемость металлических порошков.

Характеристики порошков. Представление о степени влияния размера частиц порошка на уплотнение при прессовании можно получить из данных работы.

Плотность брикетов уп, спрессованных при одинаковом давлении из различных фракций электролитического железного порошка (смесь фракций, отдельно взятые фракции —100 +150 меш, —270 +325 меш и 20—10 мк), составила соответственно 6,29; 6,38; 6,35 и 5,95 г/см3. Насыпной вес этих фракций ун равнялся 2,43; 2,16; 2,19 и 2,05 г/см3.

Отношение уп/ун, или степень уплотнения для разных фракций, оказалось равным соответственно 2,59; 2,95; 2,90 и 2,90. Эти данные показывают, что способность к уплотнению монодисперсных порошков выше, чем полидисперсных, и что эта способность выше для средних по величине частиц.

Аналогичные результаты были получены и на других типах железных порошков. Отмеченные закономерности объясняются, видимо, условиями распределения напряжений при прессовании частиц различной величины.

Вопрос о влиянии дисперсности частиц на коэффициент бокового давления и на распределение плотности пока не изучен, результаты таких работ могли бы пролить свет на влияние величины частиц на прессуемость. Худшая уплотняемость тонких порошков обусловлена, по-видимому, тем, что они отличаются высоким коэффициентом внутреннего трения, а это увеличивает неравномерность давления по высоте брикета в соответствии с формулой (III.2).

Для сферических порошков влияние дисперсности на изменение плотности в области средних и высоких давлений почти не проявляется. На прессуемость оказывает влияние форма частиц и содержание окислов. Восстановленные железные порошки, отличающиеся разветвленной формой частиц и наличием окислов, уплотняются при прессовании хуже, чем отожженные вихревой и электролитический порошки. Разветвленная форма частиц способствует, однако, получению прочных брикетов при малых давлениях прессования. Это связано с благоприятными условиями зацепления при прессовании таких порошковых частиц.

Влияние формы частиц на прессуемость определяется условиями внутреннего трения и распределением давления, но детально этот вопрос пока не изучен.

Восстановленный железный порошок, подвергнутый обкатке в шаровой мельнице без шаров, при прессовании дает более плотные брикеты, чем необкатанный (табл. 31).
Влияние различных факторов на процесс прессования порошковых брикетов

В процессе обкатки порошков происходит сглаживание их поверхности, насыпной вес увеличивается с 1,9 до 2,2—2,3 г/см3. При обкатке без шаров ситовой состав порошка почти не изменяется, улучшение уплотняемости связано с созданием более благоприятной сглаженной формы частиц, что обусловливает их лучшее скольжение друг относительно друга при прессовании. Увеличение времени обкатки до 96—136 час. приводит к наклепу частиц и ухудшает прессуемость, которая может быть снова улучшена отжигом. Обкатка порошка в мельнице с шарами более интенсивно влияет на прессуемость за счет сглаживания формы частиц и значительного уменьшения их размеров, но эта операция всегда требует дополнительного отжига для снятия наклепа.

Условия отжига порошков сказываются на их поведении при прессовании. Для электролитического и вихревого железных порошков оптимальной температурой отжига является 750—800°. Уплотнение при прессовании зависит также от атмосферы предварительного отжига (табл. 32).

Отжиг в вакууме, кроме снятия наклепа и сглаживания поверхности частиц, содействовал удалению растворенных газов и умягчению порошковых частиц, что привело к значительному улучшению уплотняемости.

Отжиг порошка хрома в галогеносодержащей атмосфере (хлористый водород и особенно бромистый водород) делает возможным получение пластичного хромового порошка, легко поддающегося прессованию (рис. 85). Такая предварительная обработка способствует рафинированию хрома по кислороду, кремнию, сере и алюминию и увеличивает пластичность.

Влияние смазок. В практике прессования часто для улучшения прессуемости в шихту вводят смазки. Это преследует такие основные цели: 1) уменьшение внешнего и внутреннего трения и снижение удельных давлений прессования; 2) уменьшение давления выталкивания; 3) предотвращение схватывания в паре прессуемый брикет-матрица и износа последней; 4) предотвращение просыпания порошка. При введении поверхностно-активных смазок, помимо перечисленных эффектов, связанных в значительной степени со снижением трения, достигается облегчение деформации порошковых частиц за счет адсорбционного понижения прочности. Последнее заключается в проникновении молекул поверхностно-активных веществ в устье микрощелей на поверхности частиц, что облегчает развитие деформации и приводит к снижению удельных давлений прессования. Выше отмечалось, что введение поверхностноактивных смазок значительно уменьшает также упругое последействие.

Физико-химическое обоснование действия поверхностно-активных смазок было дано В.И. Лихтманом и П.А. Ребиндером. В качестве смазок при прессовании применяются масла, сульфиды, окислы, графит, глицерин, вазелин, парафин, воск и поверхностно-активные вещества (олеиновая и стеариновая кислоты, стеарат цинка). Смазки обычно вводятся в виде растворов (3—5%) в органических средах (бензин, бензол, четыреххлористый углерод), которые при сушке шихты после смешивания испаряются.

Стеарат цинка и стеариновая кислота могут вводиться в шихту в виде порошков. Опыт показывает, что в случае присадок стеариновой кислоты в виде грубозернистого порошка расход ее в три раза больше, чем в случае стеарата цинка, поэтому последний предпочтительнее. Известны также и комбинированные виды смазок, например смазка «Mastermix HVA», содержащая 90% порошка восстановленного железа, 6,7% жидкой стеариновой кислоты и 3,3% графита. Это так называемая сухая смазка, компоненты которой предварительно перемешиваются, а потом добавляются в шихту.

Выяснению оптимального содержания и способа введения смазок (смазка стенок пресс-формы или введение смазки в порошок) было посвящено много работ. В большинстве случаев благоприятные результаты дает введение смазки в порошок в количестве, которое зависит от величины частиц порошка, давления прессования и величины поверхностей трения. В.И. Лихтман и П.А. Ребиндер рекомендуют вводить 3—5 мг поверхностно-активной смазки на 1 г порошка зернистостью 20—50 мк, для крупных фракций (0,1—0,2 мм) — 1 мг на 1 г порошка. Такого количества смазки достаточно для образования на поверхности каждой частицы мономолекулярной пленки. По данным, оптимальное содержание стеарата цинка при прессовании железных порошков составляет 0,5—1,5%, что примерно совпадает с оценкой, если учесть развитую поверхность порошковых частиц. Изменение пористости при прессовании порошков железа, меди и олова при использовании различных смазок приведено в табл. 33—35.

Дополнительным преимуществом введения активных смазок в порошок является повышение устойчивости против коррозии. Брикеты, спрессованные из порошков, обработанных в активных смазках, могут длительно храниться на воздухе без заметных следов коррозии.

Сравнение уплотнения при прессовании в случае смазки стенок пресс-формы и введения смазки в порошок дано в табл. 36.

Данные таблицы показывают, что при введении смазки в порошок прессуемость улучшается, поскольку в таком случае влияние смазки сказывается не только на трении, но и на сопротивлении деформации.

Однако при больших давлениях разница становится менее ощутимой. Хульсен отмечает, что при давлении 8,5 т/см2 плотность образцов (уп = 7,32 г/см3) из железного порошка оказалась выше для случая смазки стенок пресс-формы.

Это обстоятельство следует объяснить тем, что введение стеарата цинка в порошок значительно уменьшает пикнометрическую плотность последнего. Плотность стеарата цинка равна примерно 1 г/см3, и введение его в количестве 0,5 и 1 % в порошок железа снижает соответственно ук с 7,8 г/см3 до 7,55 и 7,30 г/см3.

С учетом этого факта пористость образцов, спрессованных из порошка со смазкой при больших давлениях, ниже, чем пористость образцов, полученных при смазке стенок пресс-формы. Однако реального выигрыша в связи с дальнейшим улетучиванием смазки при спекании (и соответственно с увеличением ук) в снижении пористости брикетов, спрессованных со смазкой при больших давлениях, не получается. Поэтому при прессовании плотных изделий (<10% пор) следует прибегать только к смазке стенок пресс-формы.

Влияние количества стеарата цинка, вводимого в шихту, на плотность брикетов из порошка Хэгенес и на давление выталкивания приведено на рис. 86. Наличие максимума на кривых уп=f (% стеарата цинка) и его перемещение с изменением давления прессования связано с отмеченным выше понижением пикнометрической плотности. Оптимальное количество связок, вводимое в порошок, зависит и от формы прессуемых изделий. На рис. 87 показана зависимость оптимального количества стеарата цинка в шихте от фактора формы прессуемых изделий (отношения поверхности трения к площади прессования). Чем больше высота прессуемых изделий, тем больше при данном поперечном сечении нужно вводить смазок в шихту. В практике для прессования высоких подшипниковых вкладышей требуется до 1% стеарата цинка, в то время как для небольших по высоте изделий достаточно 0,3%.

Инертные смазки, т. е. влияющие только на коэффициент трения и не сказывающиеся на самом процессе деформации (например, масла, глицерин, парафин, камфора, воск и др.), обычно вводятся в шихту в количестве 1—1,5 вес.%. М.Ю. Бальшин отмечает, что введение такого рода смазок в шихту не сказывается на величине внутреннего трения, а способствует только уменьшению внешнего трения. Смазка стенок пресс-формы и введение смазки в порошок в случае использования инертных смазок примерно равноценны, но в практике массового производства иногда целесообразнее вводить смазку в порошок, чтобы производительность прессов не снижалась за счет дополнительных операций по смазке стенок пресс-формы. Кроме того, при обильном смазывании пуансонов и пресс-форм расход смазки может оказаться выше вводимого в шихту оптимального количества ее.

Следует подчеркнуть, что оценку влияния смазок на процесс прессования нельзя проводить без учета влияния смазок на насыпной вес и текучесть порошков, на свойства спрессованных и спеченных тел. Только в результате такого рода комплексных исследований можно сделать вывод о целесообразности применения той или иной смазки. Смазка должна не только улучшать условия прессования, но и не снижать технологических характеристик порошков.

Присутствие смазок не должно сказываться на изменении химического состава и приводить к ухудшению свойств спеченных тел.

Детальное исследование влияния смазок на свойства железных порошков было проведено в работе. Сравнение эффективности двух смазок: «Mastermix HVA» и стеарата цинка, — показало, что введение первой из них благоприятно сказывается только на текучести, насыпном весе и заполняемости полостей пресс-форм. Стеарат цинка оказался более эффективным для снижения давлений прессования и получения изделий с высокими механическими свойствами, но понижал технологические свойства порошков. Авторы рекомендуют использовать при прессовании железных порошков смазку, состоящую из 2,5% «Mastermix HVA» и 0,25% стеарата цинка. Такая смазка, не снижая заметно текучести и насыпного веса, оказывает положительное влияние на прессуемость и спекаемость порошков.

По данным сборника, большинство американских фирм использует в качестве смазки при прессовании порошков стеарат цинка или стеариновую кислоту (sterotex), в количестве 0,5—1,0%, некоторые предприятия используют также сульфид молибдена (molykote) и животный жир (armowax), плавящийся при температуре 133°.

Прессование смесей. В практике порошковой металлургии, кроме прессования однокомпонентных шихт, часто имеют дело с прессованием смесей, состоящих из порошков двух или более материалов. Влияние добавок на прессуемость зависит от их Дисперсности, твердости, смазывающих и других свойств.

В табл. 37 приведены наши данные о влиянии различных Добавок на прессуемость порошка восстановленного железа.

Из этих данных видно, что малые добавки графита несколько улучшают прессуемость железа за счет смазывающих свойств графита. Однако присутствие графита увеличивает упругое последействие, и прессуемость композиции железо—графит с увеличением содержания графита несколько ухудшается. Отрицательно сказываются на уплотнении при прессовании добавки твердого и хрупкого кремния. Порошки меди и молибдена в исследованных количествах оказывали незначительное влияние на уплотняемость железного порошка.

Добавки графита к порошку меди значительно интенсивнее сказываются на уплотняемости. На рис. 88, по данным Т.И. Знатоковой и В.И. Лихтмана, показано влияние графита на изменение пористости при прессовании композиции медь—графит. С увеличением содержания графита удельные давления прессования снижаются.

Прессуемость порошков сплавов, как правило, хуже, чем чистых металлов (табл. 38).

Наличие окислов в порошковых частицах, образующихся в процессе хранения порошка либо в результате его окисления или недовосстановления в процессе получения, ухудшает прессуемость.

Размеры прессуемого изделия. Выше уже отмечалось, что размеры прессуемых изделий оказывают влияние на их плотность и равномерность ее распределения. Увеличение размера изделия в направлении прессования требует повышения удельных давлений в связи с потерями давления на внешнее трение.

По данным, при прессовании вихревого железного порошка удельное давление с увеличением отношения высоты прессуемых брикетов к их диаметру с 1 до 3 для достижения одинаковой плотности повышается более чем в два раза. В брикетах с большим отношением наблюдается также большая неравномерность распределения плотности (см. рис. 76 и 77).

Увеличение диаметра прессуемого изделия приводит, наоборот, к относительному снижению потерь давления на внешнее трение.

Эти потери, как. уже отмечалось, пропорциональны е-Н/D. Поэтому прессование изделий в пресс-формах с большим диаметром требует меньших удельных давлений. Однако с ростом давления прессования эта разница постепенно нивелируется. Увеличение диаметра влечет за собой и рост неравномерности распределения плотности по поперечному сечению.

Влияние размеров и формы прессуемых брикетов пока изучено только на таких простых изделиях, как цилиндры. Закономерности этого влияния на изделиях сложных форм почти не исследовались.

Условия прессования. Выдержка под давлением при прессовании порошковых брикетов способствует увеличению их плотности. Это связано с более полным протеканием процессов деформации на контактах частиц. Увеличение плотности, однако, невелико; по нашим данным, для порошков меди и железа оно составляет около 2—3%. Изменение плотности при выдержке под постоянным давлением может длиться в течение нескольких минут, но обычно ограничивается 20—30 сек. Повторные прессования также незначительно увеличивают плотность (например, после десятикратного прессования меди под давлением 4,7 т/см2 плотность увеличилась с 7,52 до 7,66 г/см3). Последовательные прессования с промежуточным растиранием брикетов в порошок путем протирки через сито способствуют получению более плотных брикетов за счет улучшения прессуемости порошков в связи с изменением величины и формы частиц, что оказывается также и на росте ун.

Зеелиг, изучавший влияние отрицательных температур на прессование порошка меди, отмечает, что охлаждение до температуры -73° снижает относительную плотность спрессованных брикетов на 3—4%, что можно объяснить уменьшением пластичности металла в этих условиях. Отрицательное влияние пониженных температур на прессуемость железного порошка наблюдалось также Джонсом.

В литературе отмечался факт положительного влияния вибраций на уплотнение при прессовании. В работе иследовалось вибрационное прессование порошков Al2O3, 30% Cr — 70% Al2O3 и 15% Ni — 85% TiC. Опыты показали, что наиболее предпочтительными являются низкие частоты. При использовании пневматических вибраторов, которые крепились на нижнем и верхнем пуансонах и обеспечивали давление до 6 атм при частоте 70 ударов в секунду, удавалось получить брикеты с пористостью до 20—30%. Уплотнение порошков при вибрационном прессовании существенно зависит от длительности пребывания под нагрузкой, оптимальной выдержкой для исследованных в работе объектов оказалась выдержка 30—40 сек. Увеличение зернистости порошков приводило к заметному улучшению изменения плотности при прессовании. Это, видимо, связано с тем, что при вибрационном прессовании роль вибраций в основном сводится к улучшению укладки частиц за счет их скольжения друг относительно друга. Мелкие же фракции обладают значительно худшей текучестью.

Свойства спрессованных и спеченных брикетов, изготовленных вибрационным и обычным прессованиями, оказались сравнимы между собой. Вибрационное прессование целесообразно использовать для труднопрессуемых композиций.

При прессовании происходит, механическое захватывание воздуха частицами порошка. Как показали тщательно выполненные исследования Вильямса, около 80% объема газов, присутствующих в брикетах из железного порошка непосредственно после прессования (промежуток времени от прессования до измерения составлял 4—5 мин.), приходится на долю механического захвата. Расчет показал, что давление газа в порах образцов, спрессованных под давлением 1,9; 3,5; 6,8 и 12,6 т/см2, составило соответственно 2,5; 4; 5 и 15,5 атм. Плотность железных образцов в этих опытах оказалась 5,3; 6,0; 6,35 и 7,35 г/см3. Было также обнаружено, что захваченные газы со временем удаляются из брикетов. Так, для четырех указанных выше давлений прессования время полного удаления захваченных газов оказалось 0,5; 2; 17 и 21 час.

Данные работы наглядно показывают, что наличие защемленного в порах прессуемого брикета воздуха не вызывает, как и предполагал М.Ю. Бальшин, значительных противодавлений. Однако прессование в вакууме приводит к получению более плотных брикетов, что можно объяснить улучшением текучести тонких порошков. Промышленного значения метод вакуумного прессования в связи со сложностью оборудования не имеет.

Допрессовка спеченных брикетов. В практике часто встречается операция двойного прессования и спекания. После первого прессования и спекания изделия повторно допрессовываются и спекаются. Такая технология применяется при изготовлении большинства металлокерамических конструкционных материалов. Преимуществом ее является возможность получения плотных образцов при сравнительно невысоких давлениях прессования за счет того, что для допрессовки отожженных образцов до определенной плотности требуется меньшее давление, чем для неотожженных.

Исследование свойств допрессованных брикетов железа было предпринято В. Г. Филимоновым и Бокштигелем. Для измерения пористости при допрессовке спеченных тел Бокштигель предложил эмпирическую зависимость

где P' — давление допрессовки; 0P=0, 0P и 0P' — пористость свободной насыпки, перед допрессовкой и после допрессовки; А, m и С — константы; n = 0,5.

Изменение пористости при допрессовке брикетов железа, спеченных при температуре 850° в течение 0,5 час., показано на рис. 89.

Из данных видно, что пористость допрессованных брикетов тем ниже, чем меньше была исходная пористость. Эта разница с увеличением давления допрессовки постепенно уменьшается. Примерно аналогичные кривые были получены нами при допрессовке спеченных брикетов меди и никеля.

Данные рис. 89 показывают, насколько можно снизить давление при применении повторного прессования. Так, для получения изделия с пористостью 5—6% в случае однократного прессования и спекания требуется давление не менее 9—10 т/см2, однако такую же пористость можно получить и при использовали давлений прессования и допрессовки 5—6 т/см2.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: