Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Горячее прессование металлических порошков

01.05.2019


При горячем прессовании совмещаются процессы прессования и спекания. Температура горячего прессования обычно составляет 0,5—0,8 Табс.пл. Благодаря нагреву процесс уплотнения при горячем прессовании протекает гораздо интенсивнее, чем при обычном прессовании и спекании. Методом горячего прессования можно получать практически беспористые изделия. Особенно широко применяется этот метод для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (бориды, карбиды, силициды и др.). Невысокая производительность процесса, ограниченность форм и размеров изделий и необходимость довольно сложного оборудования — все это ограничивает применение горячего прессования и обусловливает его использование только в тех случаях, когда Другие методы порошковой металлургии не имеют успеха.

По характеру явлений, происходящих при горячем прессовании, этот процесс стоит ближе к спеканию, нежели к прессованию. Уплотнение при прессовании металлических порошков при высоких температурах обусловлено процессами текучести. В зависимости от величины приложенных напряжений, а также от наличия несовершенств кристаллического строения в прессуемых порошках в основе изменения плотности при горячем прессовании могут лежать процессы пластической деформации, нестационарного и стационарного диффузионного крипа. Силы внешнего давления при горячем прессовании суммируются с капиллярными давлениями, обусловливающими свободное спекание брикетов.
Горячее прессование металлических порошков

В настоящее время строгой количественной теории горячего прессования пока нет. Ее создание связано не только с разработкой ряда вопросов теории прессования (например, определение среднего напряжения, действующего в условиях горячего прессования), но и с решением некоторых проблем, близких к теории спекания (количественное описание влияния дефектов на диффузионную текучесть и др.).

Из существующих попыток количественного описания изменения плотности при горячем прессовании заслуживает внимания работа Муррэя, Роджерса и Вильямса, которые, использовав теорию спекания Маккензи и Шаттлворса, предложили следующее выражение для изменения пористости при горячем прессовании:

где 0 — пористость горячепрессованного образца; 0п — начальная пористость; n — коэффициент вязкости.

Выражение (III.14) пригодно для давлений выше 100 кг/см2, но с экспериментальными данными в связи со многими нестрогими допущениями, принятыми при его выводе, согласуется лишь качественно.

Экспериментальные исследования горячего прессования были предприняты во многих работах, в том числе и в наших.

Изменение объемной усадки и пористости при горячем прессовании порошкового серебра, меди и никеля показано на рис. 113—115. Для неотожженных порошков кривые имеют линейный характер, замедление уплотнения обусловлено уменьшением эффективных напряжений за счет роста контактных Участков и увеличением содержания закрытых пор, присутствие газов в которых может препятствовать дальнейшей усадке. Для отожженных порошков заметно менее значительное уплотнение, чем для неотожженных, что связано с уменьшением активности порошка при отжиге (600—700°, 1 час.). Однако при больших давлениях прессования эта разница может несколько нивелироваться (например, в случае серебра, рис. 113).

На кривых AV/V, 0 = f(P) для отожженных порошков заметно наличие перегибов — пределов текучести, после которых скорость уплотнения увеличивается. Наличие перегибов на кривых AV/V, 0 = f(P) в случае неотожженных порошков маскируется влиянием геометрического фактора — изменения эффективных напряжений в связи с ростом контактов. Как было нами показано, при учете влияния геометрического фактора на форму кривых AV/V = f(o) пределы текучести наблюдаются и при использовании неотожженных порошков. Зависимость от приведенных напряжений (т. е. не зависящих от геометрического фактора) имеет характерный вид криповых кривых (рис. 116). В результате этих опытов сделан вывод, что пластическое течение проявляется только при приложении к спекаемому образцу внешних давлений и практически отсутствует при свободном спекании.

На основе анализа результатов, показанных на рис. 113—116, можно сделать следующие заключения. При горячем прессовании под давлением ниже предела текучести уплотнение протекает за счет нестационарного (неотожженные порошки) или близкого к стационарному (отожженные порошки) крипа. Если напряжения, возникающие при приложении давления, выше предела текучести, то усадка осуществляется за счет пластической (сдвиговой) деформации. При температурах, обычных для практики горячего прессования, пределы текучести большинства металлов и сплавов измеряются сотнями килограммов на квадратный сантиметр, для пористых брикетов эти величины соответственно меньше в несколько раз. В табл. 39 приведены величины пределов текучести для компактных и спрессованных образцов меди, никеля и серебра.


Следует отметить, что диффузионная текучесть может преобладать над пластическим течением и в случае Р>отек. Этот вывод сделан нами на основании того факта, что во всех известныx нам случаях горячего прессования активных порошков (недожженных порошков, соединений нестехиометрического состава и др.) усадка в широком интервале P была всегда выше, чем у отожженных равновесных порошков.

Поэтому с точки зрения выбора шихты для получения максимальной плотности при горячем прессовании следует применять порошки с большой концентрацией дефектов кристаллического строения, характеристика которых уже давалась ранее.

Изложенные выше закономерности в основном относились к горячему прессованию порошков металлов. Механизм горячего прессования тугоплавких соединений, которые отличаются большими силами связи и значительной хрупкостью, изучен гораздо в меньшей степени, но по крайней мере внешне характер влияния давления на изменение плотности примерно такой же, как и в случае порошков металлов. На рис. 117 и 118 показано изменение плотности при горячем прессовании карбида титана и карбида хрома; кривые у = f(P) для этих материалов также характеризуются затуханием при высоких давлениях.


Поведение дисперсных тел при горячем прессовании точно так же, как и при обычном прессовании, может зависеть от характеристик порошка и от свойств самого материала. Детально зависимость уплотнения при горячем прессовании от этих двух факторов исследована пока недостаточно. В отличие от обычного прессования, характеристики порошка (размер и форма частиц, состояние поверхности), видимо, оказывают меньшее влияние на прессуемость при высоких температурах, чем при низких. Можно предполагать, что наличие несовершенств кристаллического строения так же, как и в случае металлических порошков, будет активировать процесс горячего прессования тугоплавких соединений. Так, например, в работах по изучению горячего прессования окислов показано, что активные порошки (т. е. полученные при низких температурах или порошки нестехиометрического состава) дают брикеты большей плотности.

На изменение плотности при горячем прессовании, кроме температуры и величины давления, оказывает влияние длительность выдержки. На рис. 119 показаны изотермические зависимости объемной усадки от времени для брикетов серебра и меди. Чем выше температура и чем больше применяемое давление, тем резче зависимость AV/V от t в начальный период и тем быстрее наступает момент почти полного прекращения изменения плотности. Характерно, что для каждой температуры горячего прессования данного металла и для каждого давления существует как бы определенное значение плотности (или пористости), после достижения которой усадка очень незначительна (см. рис. 113—118). В экспериментах М. С. Ковальченко и Г.В. Самсонова было показано, что применение давления Р1 в течение всего процесса горячего прессования равноценно использованию в течение некоторого времени давления Р2, меньшего P1, с последующим повышением его до P1 (рис. 120).

Перегиб на кривых AV/V = f(t) можно трактовать как переход от нестационарного диффузионного крипа или пластической деформации (в зависимости от величины P и содержания дефектов в порошках) к стационарному диффузионному крипу, осуществляющемуся с медленной постоянной скоростью. Этот переход является как следствием исчерпания несовершенств кристаллического строения, так и уменьшением эффективных напряжений при увеличении плотности прессуемого брикета. В практике горячего прессования длительность выдержки редко превышает 15—20 мин., а обычно она составляет 5—10 мин.

При высоких температурах переход к стационарному течению происходит при меньшей пористости, чем при низких температурах; указанный факт объясняется тем, что в первом случае реализация несовершенств кристаллического строения при горячем прессовании происходит как бы с большим коэффициентом полезного действия, т. е. одинаковая начальная концентрация несовершенств вызывает большее изменение плотности при высоких температурах, чем при низких.

Изделия, полученные методом горячего прессования, отличаются мелкозернистостью, что связано с относительно невысокой температурой изготовления и малыми выдержками. Поэтому свойства горячепрессованных образцов (например, прочность) всегда повышены. Размер зерна, помимо температуры и времени процесса, определяется также исходными характеристиками порошка и величиной приложенного давления, которое, увеличивая плотность, создает лучшие условия для рекристаллизации. На рис. 121 показано влияние величины давления на размер зерен в горячепрессованных образцах карбида хрома.

Существенным моментом в технологии горячего прессования является метод приложения и снятия нагрузки. По-видимому, давление к образцу следует прикладывать после его нагрева до требуемой температуры. Это позволяет, во-первых, в значительной степени дегазировать образец и избежать противодавления газов в закрытых порах и, во-вторых, позволяет использовать биографические дефекты металлических порошков в большей степени при высоких температурах, что способствует получению менее пористых изделий. В работе Я.Е. Гегузина при изучении крипа неравновесных объектов обнаружено, что приложение в период нагрева нагрузки, меньшей отек, способствует залечиванию дефектов и вызывает меньшую деформацию, чем в случае приложения нагрузки по достижению температуры изотермической выдержки.

Нагрев изделия для горячего прессования целесообразно проводить настолько быстро, насколько это позволяет печное оборудование. Обычно время нагрева не превышает нескольких минут.

На плотность горячепрессованных образцов оказывает влияние и температура снятия нагрузки. Для получения более плотных образцов целесообразно снимать нагрузку не сразу после окончания выдержки, а в процессе охлаждения и даже после окончательного охлаждения. Однако в таком случае может наблюдаться приваривание образца к стенкам пресс-формы, поэтому режимы снятия давления подбираются для каждой конкретной композиции. Так, по данным, для борида титана и карбида вольфрама температура снятия давления прессования должна быть 1050°.

Очень важно для технологии горячего прессования качество материалов для пресс-форм. К ним предъявляются следующие требования: жаропрочность, отсутствие взаимодействия с прессуемыми образцами, характеристики термического расширения, близкие к таковым прессуемых образцов, долговечность.

До температур 800—850° в качестве материала для пресс-форм могут использоваться жаропрочные сплавы типа нимоник, инконель и др. В Институте металлургии АН России разработан новый многокомпонентный никелевый сплав, пресс-формы из которого с успехом использовались для горячего прессования титана при температуре 900—1000°; удельное давление доходило до 1200—1500 кг/см2. Для более высоких температур могут применяться пресс-формы из твердых сплавов и тугоплавких соединений. Однако основным материалом для пресс-форм является пока графит, отличающийся, однако, низкой прочностью (овсж для различных сортов графита колеблется от 200 до 1000 кг/см2) и возможностью взаимодействия с материалом изготовляемого изделия. Для увеличения прочности графитовых деталей их подвергают силицированию, что позволяет применять большие давления прессования и увеличивает срок службы, который, правда, не превышает все же нескольких прессований. Обычно давление при горячем прессовании не превышает 200—300 кг/см2, но в отдельных случаях при силицировании высококачественных марок графитов удельные давления могут быть значительно больше. Имеются сведения о применении пресс-форм из карбида кремния.

При горячем прессовании для уменьшения влияния трения о стенки пресс-формы прибегают к смазкам, из которых наиболее эффективной является раствор коллоидного графита в спирте.

Горячее прессование может осуществляться в защитной среде (восстановительной или инертной), в вакууме или воздухе. Использование газовой среды или вакуума позволяет избежать окисления образцов, увеличивает сроки службы пресс-форм, позволяет дегазировать образцы (в случае вакуума). Однако производительность получения изделий таким методом невелика в связи с осложнением конструктивного оформления нагрева пресс-формы. При горячем прессовании неответственных изделий, а также композиций, стойких против окисления (например, тугоплавких соединений), можно не применять защитных сред или вакуума. Кратковременность процесса, а также выделяющаяся при обгорании графитовых пресс-форм окись углерода, предохраняющая образцы от окисления, создают благоприятные условия для осуществления горячего прессования в воздушной среде.

Нагрев при горячем прессовании может осуществляться несколькими способами: высокочастотный, применение разного ро-
да внешних нагревателей (графитовых, нихромовых, молибденовых и др.), нагрев пропусканием электрического тока через пресс-форму (прессуемое изделие).

На рис. 122 показана схема пресса горячего прессования, разработанного в ИМСС АН Украины. Этот пресс с небольшими конструктивными изменениями (применение водоохлаждаемого штока) использовался в работе. Корпус 4 и крышки 3 и 9 охлаждаются проточной водой. Нагрев осуществляется графитовым нагревателем 6, внутри которого помещается пресс-форма 13 с прессуемым образцом. Давление к образцу прикладывается через шток и прессовую головку; общее усилие, которое создается пневматически, может достигать 2 т. Прессование может осуществляться как в вакууме (до 10*10в-5 мм рт. ст.), так и в защитной среде при температурах до 2000°.

Разнообразные конструкции прессов для горячего прессования рассматриваются в монографии Г.В. Самсонова и М.С. Ковальченко.

В ИМСС АН Украины были проведены обширные исследования по разработке технологии получения компактных металлоподобных соединений методом горячего прессования. Полученные результаты представлены в табл. 40.

Из других объектов порошковой металлургии горячее прессование часто применяется для бериллия. При горячем прессовании бериллия в графитовой пресс-форме (в воздушной среде) для получения компактного материала необходимо давление 50—70 кг/см2 и температура 1100° при выдержке 30 мин. Содержание окислов в готовых изделиях составляет в этом случае 2—3%. При использовании более низких температур 600—700° (так называемое теплое прессование) требуется давление 4000 кг/см2.

Интересные примеры гидростатического горячего прессования порошка бериллия приведены в работе. Установка для прессования труб показана на рис. 123. Порошок, заключенный внутрь тонкостенной трубы, уплотняется под действием радиального сжимающего давления, передаваемого расплавленным свинцом. Температура процесса составляет 800—850°. Сообщается также о гидростатическом горячем прессовании откачанных стальных контейнеров, содержащих брикеты желаемой формы. Такое прессование осуществляется в жидком расплавленном свинце.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: