Особенности и способы формования твердых сплавов

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальная металлургическая академия Украины

Факультет материаловедения и обработки металлов

Реферат

по дисциплине «Основы формования и спекания»

на тему: «Особенности и способы формования твердых сплавов»

Выполнил:

Ст. гр. МВ-04-09                                                                                           Роговская К.С.

Проверил:                                                                                                         Рослик И. Г.

Днепропетровск,

2011

План :

1.     Формование порошков

2.     Прерывистые методы формования

- Холодное формование на прессах;

           - Горячее формование;

3.     Непрерывные методы формования

-Клиновое формование;

1.     Формование порошков

Формование тел из металлических порошков является одной из главных операций при производстве порошковых изделий. При формовании в основном определяются форма и размеры изделий. Для формования компактного тела из порошка требуются значительные затраты энергии. Эта энергия расходуется на уплотнение заготовки путем перемещения и деформации частиц, на преодоление сил трения между частицами и стенками формующей полости.

Чем больше контактная поверхность частиц порошка, тем сильнее между ними зацепление и сцепление. А площадь контакта, естественно, увеличивается при повышении давления на поверхность (примерно пропорционально). За счет увеличения контакта между частицами при формовании повышается прочность формуемого тела, уменьшается пористость, измельчаются скопления частиц, а иногда и сами частицы, и происходит некоторое упрочение (наклеп) частиц.

Порошковые металлы могут деформироваться как вследствие деформации отдельных частиц, так и вследствие их смещения и заполнения ими пор. Таким образом, деформация сыпучего тела, в отличие от компактного, изменяет не только его форму, но и объем. Обычно при формовании высота заготовки по отношению к высоте насыпанного порошка уменьшается в 3–4 раза и более (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема изменения объема при формовании порошков.

Рисунок 2 – Схемы перемещения частиц порошков при формовании.

При формовании может происходить одновременно упругая, хрупкая и пластическая деформация частиц. Рисунок 2 показывает возможные схемы перемещения частиц порошкового металла. При сближении частиц может происходить увеличение площади контактных участков как без деформации частиц (а), так и с их деформацией (б); удаление частиц (в) вызывает уменьшение контактных участков и даже может привести к разрыву контакта; скольжение частиц (г) сопровождается смещением контактных участков; одновременно с перемещением частицы могут разрушаться вследствие хрупкой деформации (д). В результате хрупкой деформации могут разрушаться как скопления частиц, так и сами частицы. Это наблюдается при формовании порошков с хрупкими и твердыми составляющими, например тонкой чугунной стружки, а также твердых, но хрупких соединений металлов. Степень деформации частиц повышается с увеличением пластичности формуемого материала и прилагаемого давления.

На результаты формования оказывают влияние различные факторы: насыпная масса порошка, предварительная обработка порошков, величина и направление давления при формовании и др.

Сыпучие тела занимают объем, при котором механическая прочность тела, обусловленная взаимным зацеплением частиц, достаточна для сопротивления давлению, вызываемому массой порошка. Если механическая прочность велика, то достаточная степень зацепления получается уже при рыхлой укладке и порошок имеет малую насыпную массу. Если же прочность сыпучего тела мала, то для получения необходимого зацепления нужна более плотная укладка, что повышает насыпную массу порошка.

а)            б)            в)             г)                д)

Рисунок 3 – Стадии формования порошков.

При засыпке порошка в пресс-форму его частицы располагаются хаотически, образуя при этом так называемые мостики или арки. Плотность засыпанного порошка в этом случае равна его насыпной массе (Рисунок 3, а). Приложение внешнего давления к такому свободно насыпанному порошку приводит к резкому повышению его плотности за счет заполнения пустот и пор. По мере увеличения прилагаемого давления мостики и арки разрушаются (Рисунок 3, б, в) и частицы проникают в мелкие поры. На дальнейших этапах формования происходит качественное и количественное изменение границ между частицами: от трения частиц при перемещении друг относительно друга сдираются окисные пленки, контакты между частицами в этих местах из неметаллических переходят в металлические, в результате чего повышается прочность заготовки (Рисунок 3, г); затем происходит хрупкое разрушение частиц порошков из твердых металлов и пластическая деформация частиц из мягких металлов (Рисунок 3, д).

Методы формования порошковых заготовок весьма разнообразны. По времени действия их можно подразделить на прерывистые и непрерывные, по принципам приложения давления – на постепенно возрастающие, мгновенно возрастающие и вибрационные, по направлению или схеме формования – на односторонние, двусторонние, всесторонние и центробежные, по применяемой температуре – на холодное формование при комнатной температуре и горячее при повышенной, по атмосфере – на формование на воздухе, в вакууме и в инертной среде.

К прерывистым методам относится большинство случаев формования, когда имеет место поштучное изготовление изделий: формование на разного рода прессах (гидравлических, механических, вибрационных), а также различные виды изостатического (всестороннего) формования – гидростатическое, горячее изостатическое, взрывное.

К непрерывным методам, при помощи которых можно получать изделия значительной длины, относятся клиновое формование, мундштучное (экструзия) и прокатка металлических порошков. Кроме того, к методам формования относится так называемое шликерное литье, которое практически осуществляется без приложения давления.

2.     Прерывистые методы формования

Холодное формование на прессах.

Рисунок 4 – Пресс-форма для холодного формования порошков (а) и идеализированная кривая уплотнения порошка (б) при прессовании пластичных металлов.

Наиболее распространенным способом формования порошковых материалов является холодное формование в закрытых формах, называемых пресс-формами (Рисунок 4, а). При этом площадь формуемого материала остается постоянной в течение всего времени формования, а давление возрастает до определенной заданной величины.

Идеализированная кривая процесса уплотнения порошка (Рисунок 4, б) имеет три характерных участка. Наиболее быстро плотность упаковки частиц нарастает на первой стадии (участок а), когда частицы перемещаются относительно свободно, занимая близлежащие, пустоты; одновременно происходит разрушение арок. К концу этой стадии частицы оказываются уложенными максимально плотно, и появляется горизонтальный участок б.

Здесь сопротивление частиц сжатию велико, и несмотря на возрастание давления порошок некоторое время не уменьшает своего объема, так как частицы не перемешиваются относительно друг друга и испытывают лишь упругую деформацию. Когда давление прессования превысит сопротивление сжатию порошкового тела, начинается пластическая деформация частиц (третья стадия процесса уплотнения, выражаемая участком в). Чем пластичнее металл, тем при более низких давлениях прессования начинается уплотнение порошка за счет деформации его частиц. Для хрупких материалов, у которых пластическая деформация отсутствует, наступление третьей стадии невозможно, и при соответствующем возрастании давления частицы разрушаются.

При формовании порошков возникает трение между порошками и внутренними стенками пресс-форм. С наличием таких сил трения связано неравномерное распределение плотности в объеме прессовки (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема распределения плотности по вертикальному сечению прессовки (давление приложено сверху).

В результате холодного формования в закрытых пресс-формах получается заготовка, по форме и размерам соответствующая готовому изделию с припусками, необходимыми для прохождения последующих операция. Процесс такого формования состоит из сборки пресс-формы, дозировки и засыпки шихты в пресс-форму, самого формования и удаления изделий из пресс-формы.

Дозировку шихты производят весовым или объемным способом. При массовом производстве и использовании автоматических прессов обычно применяется объемная дозировка.

Горячее формование.

Горячее формование осуществляется в закрытых пресс-формах при повышенных и высоких температурах и возрастающем до заданной величины давлении. С повышением температуры уменьшается величина давления, необходимого для уплотнения порошка.

Метод горячего формования позволяет получать изделия из порошков, не поддающихся формованию или спеканию обычными способами. При горячем формовании увеличение контакта между частицами достигается: 1) за счет их деформации внешними силами, 2) собственной температурной подвижностью атомов. При горячем формовании можно получить материал плотностью, приближающейся к теоретической, и со свойствами компактных металлов.

Механические свойства материала повышаются с ростом прилагаемого давления до достижения 100%-ной плотности. При дальнейшем повышении давления свойства практически не изменяются. Чем выше температура, тем ниже давление, при котором достигается постоянство свойств изделий. Давление, необходимое для получения изделий определенной плотности, при высоких температурах составляет 0,1–0,2 давления холодного формования.

Горячее формование осуществляется преимущественно на гидравлических прессах. Оно производится в пресс-формах, изготовляемых из жаропрочных сплавов (для низких температур прессования – до 1000°С), либо из графита для высокотемпературного прессования.

Рисунок 6 – Способы нагрева при горячем формовании.

а – внешний нагрев, б – электронагрев пресс-формы, в – электронагрев порошка, г – высокочастотный нагрев (1 – матрица, 2 – пуансон).

Нагрев пресс-форм и материала осуществляется одним из следующих способов (Рисунок 6): применением внешних нагревателей (а); непосредственным пропусканием тока через пресс-форму (б) или порошок (в), индукционным высокочастотным нагревом (г).

Горячее формование применяется только в ряде специальных случаев: при производстве твердых и жаропрочных материалов, алмазно-металлических сплавов и крупных изделий весом до 500 кг (например, твердосплавных прокатных валков). Кроме того, оно применяется при производстве тонких пластин, дисков и других деталей, которые коробятся при спекании и поэтому изготовление их холодным формованием затруднительно.

Выдержка при горячем формовании (длительность спекания при максимальном давлении) во много раз ниже, чем при обычном спекании заготовок. Так, спекание твердых сплавов производится при выдержках 0,75 – 1,5 часа, а при горячем формовании на это затрачивается всего 1 –10 минут.

Горячее формование менее производительно по сравнению с холодным, связано со значительным износом пресс-форм и трудностью подбора для них материала, способного выдерживать высокие температуры. Однако, несмотря на ряд трудностей, связанных с предотвращением окисления порошка, выбором материала пресс-формы, а также некоторым ограничением областей применения горячего формования, принципиальная ценность и перспективность метода очевидны, особенно для получения изделий большой плотности и с высокими механическими свойствами.

3.     Непрерывные методы формования

Непрерывные методы формования позволяют получить “протяженные” изделия (прутки, листы) методами порошковой металлургии. К непрерывным процессам формования относится формование в открытой пресс форме – клиновое или формование скошенным пуансоном; выдавливание или экструзия; а также формование в валках – прокатка. Все эти методы формования характеризуются постоянным или постепенно возрастающим давлением.

Клиновое формование

Процесс формования, названный клиновым, позволяет получить толстые листы и прямоугольные стержни большого сечения из порошковых материалов при использовании оборудования сравнительно небольшой мощности.

Рисунок 7 – Схема клинового формования.

Метод производства непрерывной полосы состоит в периодическом формовании и продвижении в направлении, перпендикулярном прилагаемому давлению, порошка в матрице 1, имеющей вид длинного желоба (Рисунок 7, а). В процессе формования скошенный пуансон 2 (поэтому метод иногда называют формованием скошенным пуансоном) уплотняет только часть порошка таким образом, что получается плавный переход плотности от сформированного до свободно насыпанного порошка (Рисунок 7, б). После этого пуансон поднимается (Рисунок 7, в), а матрица передвигается ему навстречу (Рисунок 7, г), перемещая засыпаемый из бункера 4 порошок 3. Пуансон уплотняет новый участок формуемого изделия (Рисунок 7, д) и т. д.

Процесс клинового формования – циклический. В зависимости от профиля матрицы, движения пуансона и давления можно получать необходимую степень обжатия. При формовании скошенным пуансоном требуется значительно меньшее усилие пресса, чем при наиболее распространенном способе формования в закрытых пресс-формах. Так, на формование медной пластины размером 6х50х700 мм в закрытой пресс-форме потребовалось бы усилие в 50–60 раз большее, чем при формовании скошенным пуансоном.

Процесс клинового формования происходит медленнее, чем обычное формование, однако для формования длинных пластин и прутков является рациональным и перспективным способом.

Литература :

1.  Порошковая  металлургия.  Материалы,   технология,   свойства,   области  применения: Справочник (И.М.Федорченко, И.Н.Францевич,  И.Д.Радомысельский и др.; Отв.ред.И.М.Фкдорченко.) –К.: Наукова думка, 1985. – 624 с.

2.  Степанчук  А.Н.,  Билык   И.И.,   Бойка   П.А.   Технология   порошковой  металлургии. – К.: Вища школа. Головное изд-во, 1989. – 415с.