Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Прокатка металлических порошков

01.05.2019

Относительно недавно начал внедряться в промышленность перспективный способ формования металлических порошков — прокатка. Этот процесс представляет собой своего рода непрерывное прессование порошка между вращающимися валками.

Сама идея метода известна давно. Имеются сведения, что прокаткой бронзового порошка занимался еще Бессемер в середине прошлого века. Однако интенсивная исследовательская работа, а в ряде случаев и внедрение в производство проводятся только в течение последних 10—15 лет.

Подробно закономерности прокатки порошков изложены в монографии Г.А. Виноградова и Ю.Н. Семенова, и мы ограничимся лишь кратким описанием, основываясь на их материалах.

По сравнению с обычным прессованием, прокатка обладает следующими преимуществами: прокаткой можно получать изделия больших размеров по длине и ширине, мощность станов для прокатки меньше мощности прессов, а производительность выше. Прокатка порошков как способ получения металлокерамических материалов сохраняет все преимущества методов порошковой металлургии (изготовление изделий из материалов высокой чистоты, возможность приготовления деталей из тугоплавких соединений и т. д.) и, помимо этого, характеризуются, по сравнению с прокатом литых металлов, отсутствием больших капитальных затрат на крупное оборудование, сокращением числа операций и более высоким выходом годного.

Прокатанные из порошка ленты отличаются изотропностью, что важно для многих областей применения. Прокаткой можно получать листовые конструкционные, фильтровые, магнитные, Фрикционные, антифрикционные и контактные материалы, а также детали для атомной и аккумуляторной промышленности.

Недостатком прокатки является практическая ограниченность толщины ленты (в сыром состоянии толщина ленты обычно недостигается более 6—9 мм) и возможность получения только сравнительно простых форм (полосы, прутки, втулки с большим отношением диаметра к толщине и др.). Ширина прокатываемой ленты лимитируется длиной бочки валка. Из порошков удавалось прокатывать ленты шириной до 300 мм, что, однако, не является пределом.

Теория прокатки порошков в настоящее время находится в стадии разработки. Первые шаги в этом направлении были сделаны Г.И. Аксеновым с сотрудниками. Схема прокатки порошка показана на рис. 124.
Прокатка металлических порошков

При вращении валков порошок благодаря силам трения увлекается в щель между валками. Уплотнение частиц начинается в некотором сечении а—а и заканчивается по выходе из очага деформации (сечение о—о). Угол а, соответствующий сечению а—а по аналогии с прокаткой литых материалов, предложено называть углом захвата. Однако зарубежные исследователи углом захвата (gripping angle) называют центральный угол, соответствующий такому сечению зоны деформации, в котором порошок спрессовывается в жесткое тело. Этот угол экспериментально определяется ими путем прерывания процесса прокатки и измерения толщины заднего конца ленты. Разные понятия, вкладываемые различными исследователями в термин «угол захвата», затрудняют анализ процесса и вносят неопределенность в терминологию. Для устранения этих противоречий Г.А. Виноградовым предложено угол, в зарубежных исследованиях именуемый углом захвата, называть углом спрессовывания ап. Под углом же захвата а понимать центральный угол, соответствующий сечению, в котором начинается предварительное уплотнение порошка (увеличение насыпного веса).

Угол ап обычно составляет несколько градусов (3—7°), надежные же методы определения угла захвата пока не разработаны.

Из условия постоянства веса (вес порошка равен весу ленты) в работе было предложено выражение для плотности ленты

где R — радиус валка; Hп — расстояние при прокатке между валками с учетом их упругого расширения; ун — насыпной вес порошка; К — коэффициент вытяжки, равный отношению скоростей порошка в сечении, отвечающем углу а, к скорости ленты.

Выражение (III.15а) в связи с трудностью определения коэффициента К иногда преобразуется в следующее

где априв — приведенный угол захвата, который определяется по экспериментальным данным и составляет, например, для различных железных порошков 7—10°.

формула (III.156) дает результаты, качественно согласующиеся с экспериментальными данными, для количественного же совпадения необходимо эмпирическое определение априв, что снижает практическую ценность выражения (III.156).

Условия деформирования порошка при прокатке несколько отличаются от условий при прессовании. Если в последнем случае уплотнение осуществляется при неравномерном объемном сжатии, то при прокатке имеет место плоское напряженное состояние. Силы трения на поверхности бочки валков препятствуют уширению ленты. Во многих работах для определения усилий при прокатке порошков практиковалось сравнение плотности ленты с плотностью брикетов, спрессованных при определенных давлениях. Такой метод следует признать сугубо ориентировочным, поскольку в данных работах оценка Pср не проводилась.

Условия деформирования определяют ориентированную структуру частиц в прокатанной ленте. Микроскопические исследования спрессованных и прокатанных свинцовых гранул показали, что в обоих случаях наблюдается превращение сферических частиц в многогранники, но при прокатке также заметна ориентированность частиц (рис. 125). В плоскости прокатки наблюдается сжатие частиц, а в направлении прокатки — вытяжка, степень вытяжки зависят от давления и пластичности материала.

Процесс прокатки порошка от начала поступления его в валки и до выхода из валков можно разделить на три периода: начальный неустановившийся, установившийся и конечный нестационарный. Для первого периода характерна переменная толщина и плотность ленты. Частицы порошка увлекаются при вращении валков в раствор между ними и вызывают расклинивающее действие. В очаг деформации поступают все новые порции порошка. В момент, когда процесс вовлечения и спрессовывания порошка уравновешивается сопротивлением стана упругим деформациям, наступает установившийся период прокатки. В конечном периоде происходят обратные явления в связи с разгрузкой стана.

При прокатке железного порошка на стане (D = 158 мм, L-360 мм) при скорости 10 об/мин начальный неустановившийся период завершался на длине порядка 40 мм, что соответствует углу поворота валков на 30°; конечный нестационарный период наблюдался на протяжении поворота валков до 180° (рис. 126).

Длительность начального периода, который, как и конечный, нежелателен в связи с потерями металла на обрезки, зависит от ширины листа, и прокатка широких листов в этом отношении предпочтительнее.

Опыты, проведенные в ИМСС АН Украины, показали, что на уплотнение порошка при прокатке оказывают влияние процессы взаимодействия валков и порошка в объемах, лежащих за пределами угла ап. В этих объемах проходят процессы предварительного уплотнения порошка. Чем больше ширина захвата, т.е. чем раньше начинается предварительное уплотнение порошка, тем больше толщина и плотность ленты.

На протекание процесса уплотнения при прокатке, помимо отмеченных обстоятельств, оказывают влияние и такие факторы, как характеристики порошка (зернистость, насыпной вес и текучесть, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, твердость частиц), величина зазора между валками, состояние их поверхности и скорость вращения, температура и атмосфера, способ подачи порошка, диаметр валков и др.

Свойства порошков оказывают влияние на процессы предварительного спрессовывания и на уплотнение частиц при углах, больших ап. Величина угла, при котором начинается спрессовывание ленты, зависит также от свойств порошка. Так, по данным, с увеличением текучести медных порошков этот угол, а также толщина ленты уменьшаются, а сферические порошки, которые характеризуются максимальной текучестью, вообще не прокатываются.

Однако влияние текучести порошков на прокатку не монотонно: с уменьшением текучести порошков становится труднее получать ленты с равномерным распределением плотности по длине и сечению, что обусловлено неравномерностью питания порошком из бункера.

Важным фактором, определяющим толщину и плотность сырых лент, является вязкость газовой фазы. Опыты по исследованию влияния газовой фазы на процесс прокатки порошков показали, что использование газов малой вязкости (водород) способствует увеличению толщины лент примерно на 70% по сравнению с прокаткой в тех же условиях в воздушной атмосфере.

Прокатка порошка в вакууме также приводит к получению более толстых лент с большей плотностью. Это может быть связано с повышением коэффициента трения вследствие удаления адсорбированных газов и с исключением роли газового противотока, который тормозит сход порошка в очаг деформации. Визуально и с помощью киносъемки установлено, что в зоне предварительного прессования наблюдается непрерывное перемешивание порошка вследствие выхода воздуха.

Результаты работ показывают, что применение газов малой вязкости и вакуума — эффективное средство повышения толщины лент.

Особенно это целесообразно в случае использования тонких порошков с низкой сыпучестью, когда трудно обеспечить равномерное питание порошками из бункера и получить однородную по плотности ленту, и при больших скоростях прокатки, когда роль газового противотока повышается. Из экспериментальных данных известно, что уменьшение размера частиц приводит к уменьшению толщины и плотности ленты. Характер этого влияния зависит от того, насколько разные фракции порошков отличаются по величинам внутреннего и внешнего трения (что сказывается на текучести и насыпном весе). Для распыленных железных порошков влияние величины частиц на толщину ленты было незначительным.

Существенно сказывается на плотности прокатанной ленты величина зазора между валками. На рис. 127 показано влияние этого параметра на плотность и толщину ленты из железного порошка. Увеличение раствора между валками уменьшает давление со стороны валков на прокатываемую полосу, и при больших зазорах порошок перестает спрессовываться.

Исследование прокатки ленты на валках с различной обработкой показало, что пескоструйная обработка валков приводит к получению более толстых лент, чем в случае гладких или полированных валков. Это объясняется увеличением угла спрессовывания.

Принудительная подача порошка в валки, которая может осуществляться с помощью шнековых питателей, намагничивания валков и других приспособлений, способствует повышению плотности и толщины ленты, очевидно, за счет лучшей укладки частиц. В этом же направлении действует увеличение количества порошка в бункере. Увеличение скорости вращения валков уменьшает время пребывания порошка в очаге деформации и приводит к уменьшению плотности ленты.

Для каждого порошка существует оптимальный интервал скоростей прокатки. Г.И. Аксенов, А.Н. Николаев, Ю.Н. Семенов отмечают, что, начиная с некоторой скорости, из валков выходит лента неравномерной плотности, а затем даже обрывки ленты и слабоспрессованный порошок. Оптимум скорости прокатки зависит от характеристик порошка и в каждом конкретном случае определяется опытным путем.

Наиболее характерными видами брака при прокатке являются трещины и расслои в результате большого удельного давления; неравномерная плотность ленты, обусловленная главным образом несовершенством прессового оборудования; зубчатые края ленты в результате просыпания порошков с высокой текучестью при прокатке с малой скоростью и большим зазором и др.

Прокатка порошка может осуществляться в вертикальном (см. рис. 124), горизонтальном (рис. 128) или промежуточном направлении. При горизонтальной прокатке порошок подается в валки на бумажной ленте или с помощью специальных дозаторов. Сравнение прокатки алюминиевого порошка в вертикальном и горизонтальном положениях обнаружило, что толщина сырой ленты в первом случае была всегда больше. Это объясняется большим гравитационным напором и особенностями деформации валков в вертикальном и горизонтальном положениях. Вертикальная прокатка во всех отношениях предпочтительнее. Однако в случае хрупких порошков, дающих непрочные ленты, прибегают к горизонтальной прокатке.

Одна из возможных технологических схем прокатки показана на рис. 129. Эта схема предусматривает опрокидывающуюся черновую клеть для прокатки в вертикальном (А) и горизонтальном (Б) положениях.

После кратковременного первого спекания лента поступает обычно на дальнейшее обжатие. Ленты, идущие на приготовление фильтровых и антифрикционных материалов, большей частью не подвергаются дополнительному уплотнению. Число обжатий, необходимое для получения беспористой ленты, зависит от пластичности материалов и параметров прокатки. По данным, для железной ленты, спеченной в течение 1 мин. при температуре 1200°, для достижения беспористого состояния необходимо четыре обжатия при ширине зазора между валками 0,1—0,3 мм. После каждого обжатия следовал умягчающий отжиг при температуре 650°.

Влияние деформации на свойства медной ленты, прокатанной на толщину 0,6 мм и спеченной в течение 130 мин. при температуре 1000°, показано на рис. 130. При обжатиях более 50% на кромках полос образовывались поперечные трещины, которые снижали плотность и особенно пластичность и прочность.

Технология производства никелевой ленты описана в работах.

По варианту, порошок никеля прокатывается до плотности 8,2 г/см3, а затем спекается в течение 1—5 мин. при температуре 1000—1100°. Дальнейшая уплотняющая прокатка и отжиг при 850° приводили к получению никелевых лент со свойствами, отвечающими ГОСТу для литого и катаного никеля. Существенным моментом является применение вакуумного отжига для обезгаживания никеля, что повышает механические свойства.

Примерно аналогичная технология производства никелевой ленты, но с большим количеством холодных обжатий, приведена в работе. После прокатки порошка в валках диаметром 195 мм в ленту толщиной около 0,7 мм с плотностью 6,5 г/см3 следует спекание при температуре 1050° в течение 4 мин. Спеченные ленты трижды прокатываются на холоду с применением смазки и промежуточных отжигов при 700—800°. Толщина готовой беспористой ленты составляет 0,125 мм.

Методом прокатки могут получаться не только ленты чистых металлов, но и различных сплавов. Из литературных данных известно, что прокаткой можно изготовлять полосы из нержавеющей стали, твердых сплавов, латуни, монель-металла и других композиций, а также полосы из биметаллов.

Горячая прокатка — прокатка нагретой ленты — обеспечивает получение беспористого материала с меньшим количеством обжатий и сокращение единиц оборудования. Однако такая прокатка при отсутствии мер против окисления может приводить к ухудшению свойств большинства пористых лент в связи с их большой окисляемостью. На практике при прокатке легко-окисляющихся металлов в большинстве случаев прибегают к прокатке порошков в оболочках. Так, например, в работах сообщается об удачных опытах прокатки железных контейнеров (диаметр 12 мм, L = 150 мм) с титановым (800°) и хромовым (1100°) порошками. Полученные изделия отличались высокими механическими свойствами. В условиях обычного получения металлокерамических образцов хрома и титана приходится принимать меры предосторожности против образования трудновосстановимых окислов, значительно препятствующих спеканию и понижающих свойства. При горячей деформации порошков, уплотненных в контейнерах, доступ воздуха ограничен, а имеющиеся окисные пленки на поверхности частиц разрушаются, что облегчает спекание частиц друг с другом в местах контактов.

В литературе сообщается также и об удачных попытках использовать горячую прокатку для порошков железа и меди.

Конструкции станов для прокатки порошков подробно разобраны Г.А. Виноградовым и Ю.Н. Семеновым. Для этих станов характерно горизонтальное расположение рабочих клетей, низкое число оборотов валков, повышенная жесткость станин, валков и других основных частей рабочей клети. Станы для прокатки лент из порошков имеют значительно меньшую мощность двигателей в сравнении с обычными станами для холодной прокатки лент аналогичных размеров. Горячую прокатку пористых легкоокисляющихся заготовок проводят в контролируемой газовой среде, для чего рабочую клеть стана помещают в герметическую камеру с перчаточным или дистанционным управлением стана снаружи.

В ИМСС АН Украины разработан и применяется стан универсальной конструкции для прокатки металлических порошков и металлокерамических заготовок (рис. 131). Стан состоит из трех рабочих клетей, две из которых опрокидывающиеся (прокатка может быть вертикальной или горизонтальной), а одна — комбинированная, позволяющая проводить прокатку на двух и четырех валках. Конструкция стана обеспечивает проведение горячей прокатки пористых заготовок в защитной газовой среде. Диапазон скоростей прокатки составляет от 0,65 до 20 об/мин; диаметры валков стана — от 140 до 320 мм. Стан оборудован устройством для бесступенчатой регулировки числа оборотов, снабжен моталками с фрикционными приводами для сматывания в рулоны сырых непрочных лент и приспособлениями для механизированной перевалки валков.

Выше уже отмечалось, что недостатком метода прокатки является относительно малая возможная толщина лент. Недавно предложен метод, позволяющий получать полосы большой толщины (рис. 132). Порошок, свободно насыпанный в движущемся желобе, подвергается последовательному периодическому обжатию скошенным пуансоном. Повторением такого обжатия удается получить достаточно прочные бруски. Например, из медного порошка, спрессованного таким способом при общей нагрузке 60 т и спеченного при температуре 1000° в течение 1 час., получались бруски с относительной плотностью 90%. Сообщается о получении брусков из железа и его сплавов, а также биметаллов.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: