Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оборудование, технология и теоретические подходы к компактированию, спеканию и прессованию одно- и многокомпонентных порошковых материалов на основе металлических порошков 7
1.1. Основные тенденции в теоретическом исследовании процессов обработкой давлением порошковых материалов 7
1.2. Способы, производство и механические свойства металлических порошков, области применения 13
1.3. Прессы и автоматы для компактирования заготовок из металлических порошков 18
1.4. Коммутирование одно- и многокомпонентных металлических порошков 23
1.5. Оборудование для спекания и нагрева заготовок 30
1.6. Прессы для прессования скомпактированных спеченных порошковых заготовок 32
1.7. Технологический процесс изготовления изделия типа электроконтакта 34
1.8. Основные цели и задачи исследования 37
Глава 2. Экспериментальное исследование процессов компактирования, спекания, обратного и комбинированного прессования из порошковых материалов 38
2.1. Инструменты и приборы для изучения процессов компактирования и прессования порошковых материалов 38
2.2. Экспериментальные установки и исследование процессов компактирования и спекания заготовок из порошковых материалов 40
2.2.1. Обработка результатов экспериментальных исследований процессов компактирования и спекания заготовок из медного порошка ПМС-1 46
2.2.2. Экспериментальные исследования процесса компактирования заготовок из композиционной смеси железного порошка ПЖ4М2 и медного ПМС-1 при разных концентрациях элементов 60
2.2.3. Экспериментальные исследования процесса компактирования заготовок из композитной смеси железного порошка ПЖРВ 4.200.28 и медного ПМС-1 при разных концентрациях компонентов 64
2.3. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования скомпактированных и спеченных заготовок из медного порошка ПМС-1 67
2.3.1. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования гладким пуансоном заготовок из медного порошка ПМС-1 67
2.3.2. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования сферическим пуансоном скомпактированной спеченной заготовок из медного порошка ПМС-1 74
2.4. Экспериментальные исследования процесса комбинированного прессования заготовок из медного порошка ПМС-1 80
2.5. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования заготовок из композиционного материала на основе железного порошка ПЖРВ 4.200.28 с концентрацией медного порошка ПМС-1 25% 87
2.6. Выводы по экспериментальным исследованиям 92
Глава 3. Теоретические исследования силовых и деформационных параметров при компактировании, обратном и комбинированном прессовании одно- и многокомпонентных заготовок из металлических порошков 93
3.1. Исследование процесса компактироваиия однокомпонентных металлических порошков 93
3.2 Исследование процесса компактироваиия двухкомпонентных металлических порошков 97
3.3. Методика определения сопротивления пластической деформации псевдосплавов «железо-медь» 100
3.4. Влияние условий формообразования на параметры открытой осадки спечённых заготовок из металлических порошков с применением уравнения равновесия 104
3.5. Давление при обратном прессовании заготовок из скомпактированных порошковых материалов 108
3.5.1. Давление при прошивке заготовок из скомпактированных спеченных порошковых материалов пуансоном с плоским торцом 108
3.5.2. Давление при обратном прессовании заготовок из скомпактированых спеченных порошковых материалов пуансоном со сферическим торцом 111
3.6. Расчет давления при обратном и комбинированном прессовании 114
3.6.1. Расчет давления при обратном прессовании методом работ... 114
3.6.2. Расчет давления при комбинированном прессовании методом работ 118
3.7. Исследование распределения деформационных потоков при комбинированном прессовании 125
3.8. Исследование процесса обратного прессования заготовок из многокомпонентных материалов на основе железных и медных порошков 130
Глава 4. Совершенствование проектирования технологического оборудования для компактирования и прессования порошковых материалов 135
4.1. Контактная прочность инструмента при прошивке и прессовании порошковых материалов 135
4.2. Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков 143
4.3. Устройство для стабилизации давления при компактировании и прессовании 150
Выводы по работе 158
Список литературы
- Способы, производство и механические свойства металлических порошков, области применения
- Экспериментальные установки и исследование процессов компактирования и спекания заготовок из порошковых материалов
- Исследование процесса компактироваиия двухкомпонентных металлических порошков
- Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков
Введение к работе
Развитие ведущих высокотехнологичных отраслей промышленности требует совершенствования теории и технологии производства новых конструкционных материалов. Перспективным направлением в создании новых материалов являются одно- и многокомпонентные композиционные материалы из металлических порошков. Они обладают уникальными физико-механическими свойствами, которые невозможно повторить другими способами получения металлов [1-3].
Свойства порошковых материалов определяются не только составом и методами термической обработки, но и зависят от формы частиц, их расположения и сочетаний их с другими порошками.
Существующий метод прямого формообразования изделий из порошковых материалов не позволяет добиться получения деталей с однородными физико-механическими свойствами по всему объему [9,10, И].
К недостаткам этого метода также можно отнести невысокую сопротивляемость получаемых изделий к напряжениям и деформациям растяжения.
Как показали исследования отечественных и зарубежных ученых, наиболее оптимальной для выполнения поставленной задачи является технология, состоящая из шихтования металлических порошков, последующего их компактирования, спекания и получения заготовок для дальнейшего формоизменения [16-25].
Следует отметить, что в отечественной и зарубежной литературе недостаточно внимания уделено теоретическому исследованию процессов компактирования и прессования одно- и многокомпонентных композиционных материалов из металлических порошков.
Целью настоящей работы является оптимизация оборудования и технологических режимов получения одно- и многокомпонентных композиционных материалов из металлических порошков для получения электроконтактов.
Способы, производство и механические свойства металлических порошков, области применения
При большой номенклатуре производимых металлических порошков около 90% их мирового производства приходится на железные порошки и порошки сплавов, изготовленных на основе железа [4-15].
Способы получения и применения порошков железа
Железные порошки в промышленных масштабах производят на Днепропетровском алюминиевом заводе, в научно-производственном объединении ОАО «Полема» (Тулачермет) методом восстановления окалины комбинированным способом; на Сулинском металлургическом заводе (Стакс) - восстановлением твердым восстановителем; на Броварском заводе порошковой металлургии - распылением синтетического чугуна с последующим отжигом порошка-сырца в конвертированном газе. Порошки марок ПЖ0-ПЖ2 получают методом распыления стали ЭП-620 и губчатого железа с последующим отжигом в водороде. Порошки марок ПЖЗ-ПЖ6 изготавливают методом распыления и восстановления прокатной окалины.
Для изготовления деталей машин из порошковых материалов применяют порошки марок ПЖЗ и ПЖ4; для производства изделий со специальными требованиями (магнито-мягкие с высокими электромагнитными характеристиками, тонкостенные, конструкционные детали сложной формы со значительной пористостью и др.). Порошки марок ПЖ5 и ПЖ6 применяют для изготовления малоответственных порошковых деталей и для сварочного производства.
Большинство порошков в названии марки имеет букву П, что обозначает порошковый материал. Следует отметить, что в обозначение марки входят буквы и цифры, характеризующие химический и гранулометрический составы порошков и их технологические свойства (чаще - насыпную плотность). Материал порошка обозначается буквой, соответствующей содержанию основного компонента, и цифрой, определяющей количество компонента в материале. Например, марка ПЖО содержит 99,0 % Fe, а ПЖ7 - 96,0 % Fe.
В обозначении марки иногда пишутся буквы, обозначающие способ получения порошка. В данном случае для порошков железа применяются следующие буквенные обозначения: В восстановленный (ПЖВ2); Р - распыленный воздухом (ПЖР2); РВ - распыленный водой (ПЖРВ2); Р - карбонильный (Р-10).
Гранулометрический состав порошка Гранулометрический состав зависит от способа получения порошка и указан в таблицах. Условно, в зависимости от их размеров, порошки делятся на следующие группы: ультрадисперсные (до 0,5 мкм); ультратонкие или весьма тонкие (0,5-йО мкм); тонкие (10-г40 мкм); средние (40 150 мкм); грубые или крупные (150ч-1000 мкм). Насыпная плотность железного порошка регламентирована ГОСТом 9849-74.
Широкое применение также имеют порошки меди, никеля и других металлов. Согласно ГОСТу 4960-75 выпускаются и применяются следующие марки порошка меди: ПМА, ПМАу, ПМС-1, ПМС-Н и другие. Для этих марок в названии две первые буквы обозначают порошок медный (ПМ), следующие: С — стабилизированный, К — конопаточный, Н — низкодисперсный. Медный порошок не должен иметь посторонних примесей и комков и по цвету соответствовать образцу, согласованному изготовителем и потребителем. Удельное электрическое сопротивление медного порошка марки ПМА не должно превышать 25 мкОм- м.
Применение в качестве исходного материала чистого железного порошка при изготовлении конструкционных деталей ограничивается низкими прочностными свойствами спечённого железа. В основном оно применяется для изготовления ненагруженных деталей и различных уплотнительных изделий. Для повышения механических свойств в железный порошок при приготовлении порошковой смеси вводят легирующие добавки (фосфор, медь, хром, никель, молибден), а спечённые изделия подвергают химико-термической обработке: азотированию, сульфидированию, хромированию.
Медь в порошковые стали вводится в виде порошка чистой меди, омедненного графита, путем пропитки спеченных заготовок. Введение меди в количестве 1,0...10 массовой доли в процентах увеличивает предел текучести и временное сопротивление материала. Введение меди существенно повышает сопротивляемость порошкового материала атмосферной коррозии.
В связи со сравнительно низкой прочностью и твёрдостью спечённых железных изделий основная масса порошковых материалов на базе железа дополнительно легируется углеродом, под действием которого спечённое железо приобретает способность закаливаться и во много раз повышать свою твёрдость и прочность. Углеродистые порошковые стали и стальные изделия могут быть получены непосредственным введением в железный порошок углерода в виде графита, сажи или чугунного порошка, а также путем науглероживания изделий в процессе спекания или цементации после спекания.
К основным факторам, определяющим структуру и свойства порошковых углеродистых сталей, относятся температура, время и среда спекания. При содержании в смеси до 1,0...1,2% графита оптимальная температура спекания составляет 1150... 1200С, при содержании графита выше 1,2...1,5% — 1050...1150С. Время спекания определяется массой изделия [56].
Экспериментальные установки и исследование процессов компактирования и спекания заготовок из порошковых материалов
На данной установке осуществлялось предварительное компактирование металлических порошков с последующим прессованием спеченных заготовок.
Методика исследования процесса компактирования заготовок из одно -и многокомпонентных порошков определяет следующий порядок работ и испытаний. 1. Смешивание металлических порошков с заданной концентрацией компонентов. 2. Засыпка шихты в штамп и установка штампа на испытательную машину Р-20. 3. Одностороннее компактирование до заданного усилия. 4. Выталкивание заготовки из штампа, её кантовка на 180. 5. Последующее компактирование и выталкивание из штампа заготовки. 6. Измерение размеров скомпактированой заготовки. 7. Взвешивание заготовки. 8. Определение плотности заготовки. Разработка технологических инструментов для проведения эксперимента
Поставленная выше направленность получения электроконтактных изделий потребовала применения следующих модельных материалов: медного порошка ПМС-1, железных порошков марок ПЖ4М2 и ЛЖРВ4200,28, а также композитов ю железного и медного порошков с различной концентрацией от 10-90% медного порошка ПМС-1.
Данный состав позволяет исследовать одно- и многокомпонентные композиционные материалы.
Используемые порошки обладают хорошими пластическими свойствами и хорошо подходят для моделирования в лабораторных условиях процессов компактирования и формообразования дорогостоящих материалов.
Штамп для проведения эксперимента состоит из матрицы, пуансона и вкладыша. На рис. 2.5 для примера показан штамп для компактирования, обратного и комбинированного прессования цилиндрических заготовок диаметром 37 мм. Остальные штампы имели аналогичную конструкцию с заданными размерами.
Применение данных штампов позволяет в заданном темпе осуществлять процессы последовательного компактирования, выталкивания, кантовки и последующего прессования до получения окончательного изделия. В процессе компактировании усилие измерялось силозамерителем машины Р-20.
В результате наших исследований был подобран оптимальный температурный режим спекания заготовок: температура в печи поддерживалась на уровне 880-ь890С для заготовок из медного порошка ПМС-1; 1100-И120С - для заготовок из железных порошков ПЖ4М2 и ПЖРВ4.200.28; 1050С - для их композиций с медным порошком ПМС-1. Время активного спекания составляло 30 мин. Спекание производилось в водородной среде для исключения образования окислов на скомпактированых заготовках.
Расчёт относительной плотности прямоугольных заготовок проводится по формуле: р рм(а-Ь-Н)/10009 V " где а, Ъ - стороны прямоугольной заготовки. Давление компактирования для прямоугольной заготовки определяется по формуле: а a3asL мПа. (2.4) а-Ъ
Сопротивление пластической деформации однокомпонентных порошковых заготовок определяется по формуле Лаптева A.M.: 7r = JT0-p" МПа, (2.5) где ато - сопротивление пластической деформации металлической основы, равной для меди - 280МПа, для железа 380МПа; р- относительная плотность; п- показатель роста давления. По исследованиям Лаптева A.M. [22, 28] показатель « = 2,69 3,09 для железного порошка марки ПЖР, для других марок коэффициенты будут приведены ниже; для медных порошков по нашим данным показатель п = 2 2,26.
Обработка экспериментальных исследований осуществлялось с применением методов математической статистики.
Ниже в табл. 2.2 приведены экспериментальные и расчетные данные для цилиндрической заготовки диаметром D=40 мм и высотой #=25 -27 мм из медного порошка марки ПМС-1. Из-за усадки заготовки размеры заготовки по высоте и диаметру уменьшаются: а) для экспериментов № (1-6) ЛО = - -100 = 8,25% и Д# = 5,4%, б) для экспериментов №(7-12) ДЯ = — -100 = 8,5% и АЯ = 5,74%, в) для экспериментов № (13-18) AD = 8,5% и Ш = 5,76%. Таким образом, на процесс усадки усилие компактирования практически не влияет. В соответствии с изменениями размеров и массы была рассчитана новая величина относительной плотности: а), ЦИ = о,70іиА І6) = 0 701- 559.100 = 20%, " f3,67V „,, 8Q_ Р{м,-6) 0,701 V 2 ) б) _ !5 = 0)743 и А 0,743-0,584 jrliS -2,49-8,97 в) дМ1—я = 0,789 И Дд.=M?2zM.100 = 23,95%. яг -2,33-8,97 Здесь р = 0,559; 0,584; 0,6 - плотности до спекания рассматриваемых скомпактированных заготовок.
Данные эксперименты подтверждают влияние спекания на плотность заготовок из медного порошка ПМС-1, а также влияние усадки на плотность заготовок из других металлических порошков.
Ниже приведены аппроксимированные зависимости для расчета плотности спеченной заготовки в зависимости от величины давления компактирования из системы уравнений:
Исследование процесса компактироваиия двухкомпонентных металлических порошков
Как металлических порошков установили наши структурные исследования, при компактировании однокомпонентных металлических порошков окончательной формой частицы порошка будет пластинчатая с отношением длины 2хк к высоте 25, равным хк/5 = 7, и таким же с показателем профиля Г = 7. На примере классифицированной шихты можно проанализировать процесс компактирования по одной частице, заключенной в элементарную ячейку 2хк -2д:к -2 5, когда её профиль описывается зависимостью [1,17-20]:
Определяем давление компактирования методом баланса работ. Находим работу деформирования Аа = ат V є, где сопротивление пластической деформации а7 = ап рп, ау0- сопротивление пластической деформации металлической основы, р - относительная плотность частицы в элементарной ячейке, п - показатель пористости. По исследованиям Лаптева A.M. [22, 28, 29] показатель « = 2,69 3,09 для железных порошков; для медных порошков по нашим данным показатель « = 2 2,26. Для промежуточного обжатия = 0,2, работа деформации одной частицы составит Ал = ат 0,697х3 0,2 = 0,1394x1 - тт.
Работа трения реализуется по нижнему и верхнему торцу частицы Ат = 2 2хк 2хк (хк/3)-аТ f = 2,67х3 -ar-f и по боковым её стенкам 4р2 = A-2xK-28-2S-s- 7T-f=Wi\xl-aT-f. Тогда работа трения 4, = 2,801 - -/. Общая работа Л ч = (0,1394+/-2,801)(7 осуществляется пуансоном Ап=2хк-2хк-28-є- тср=0,22%ЬхІ-сср.
Соответственно, среднее давление компактирования А общ т„я = = (0,6098 +12,248/) ат. По данной зависимости вычисляются ср 0,2286 ; коэффициенты трения при компактировании. Так, при давлении на пуансоне аср =167,5 МПа для заготовок из железного порошка устанавливается плотность р = 0,637 и соответственно ат = 380 0,6373 = 98,2МЛа. Тогда из равенства среднего давления компактирования и давления пресса 167,5 = 98,2(0,6098 + 12,248/) определяется / = 0,0894. Аналогичным образом вычисляется коэффициент трения / = 0,0733 придавлений а= 130,3 М7а с плотностью заготовки р = 0,6104и о =86,42М7а. В среднем коэффициент трения / 0,09. Переходим к проверке вычисления коэффициента трения для всей заготовки на макроуровне. Для рассматриваемого процесса общая работа компактирования самой заготовки будет состоять из работы деформации отличие составляет 0,8%. Уменьшаем давление до 130,3 МПа: соответственно, = 0,16, hK =8,9лш и расчетная плотность / = 0,606; при эксперименте /? = 0,61, отличие - 0,6%.
При давлении 93М7а, є = 0,15 и hK= 9,2мм расчетная плотность /7 = 0,58; при эксперименте р = 0,56 с отличием также менее 1%. Обработка полученных результатов определяет следующие аппроксимирующие зависимости плотности для круглых заготовок из железного порошка ПЖРВ 4.200.28. Для d 50лш плотность р = 0,0008 + 0,5 и є = 0,3р - 0,021. (3.5) Для круглых заготовок из медного порошка ПМС-1; р = 0,00136 гф + 0,48 и є = 0,333/7 - 0,033. (3.6)
Приведенные зависимости позволяют установить силовые и деформационные параметры при компактнровании заготовок из однокомпонентных материалов. Так, обжатие є при заданной плотности, конечной высоте к = 8лш и диаметре d = 40мм при компактировании заготовок из железного порошка составит = 0,3-0,62-0,04 = 0,165, тср =153,2. Окончательная проверка плотности проводится по формуле (3.5) р = 0,008 -153,2 + 0,5 = 0,6225.
Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков
В разделе рассматриваются способ и устройство компактирования и прессования металлического порошка, спеченных скомпактированных заготовок подвижным пуансоном и выталкивателем в матрице переменного сечения под давлением подвижного пуансона, давление которого направлено в сторону уменьшения сечения матрицы. Удаление заготовки из матрицы производят под давлением выталкивателя, направленного в сторону увеличения сечения матрицы с дополнительной подпрессовкой заготовки и последующей задержкой во времени снятия давления с подвижного пуансона.
Способ и устройство формообразования скомпактированных порошков могут быть применены для различных порошковых материалов, но преимущественно для металлических порошков.
Известены способ и устройство формообразования скомпактированных порошков посредством давления подвижным пуансоном в сборной матрице [74].
Недостаток способа формообразования заключается в том, что имеет место неравномерность плотности прессуемого материала по направлению перемещения пуансона, а также сложность устройства механизма сборки матрицы.
Известны способ и устройство формообразования с двумя подвижными элементами в штампе [40]. При двухстороннем сжатии скомпактированного порошка неравномерность по направлению подвижных элементов штампа, уменьшается, но остается неравномерность в перпендикулярном направлении, что способствует появлению релаксационных напряжений, приводящих к растрескиванию поверхности и сколу.
Аналогом предлагаемого способа и устройства является формообразование скомпактированного порошка в стационарной объемной матрице пуансоном [41]. При создании давления в объемной матрице постоянного профиля не возникают релаксационные напряжения, после снятия давления, приводящие к неравномерности свойств деформированного изделия. Однако данное устройство по конструкции очень сложное.
Нами предлагаются способ формообразования и устройство объемной матрицы с подвижными элементами, отличающееся тем, что формообразование скомпактированного порошка производится в стационарной матрице с переменным сечением профиля под давлением подвижного пуансона с профилем, соответствующим матрице в направлении сужения профиля матрицы. Удаление изделия из матрицы производится под давлением выталкивателя в направлении увеличения сечения профиля при обратном ходе подвижного пуансона с задержкой по времени снятия давления с подвижного пуансона перед окончательным удалением заготовки из матрицы выталкивателем.
Снятие релаксационных напряжений при предлагаемом способе достигается, во-первых, тем, что формообразование металлических скомпактированных спеченных порошков осуществляется в устройстве переменного сечения у матрицы и подвижного пуансона.
Далее эффект достигается направлением движения подвижного пуансона в сторону уменьшения сечения матрицы, а выталкивание заготовки производят выталкивателем в сторону увеличения сечения.
Наконец, уменьшение релаксационных напряжений достигается за счет постепенного снятия давления с заготовки у подвижного пуансона перед удалением заготовки из матрицы.
Схема устройства и реализации способа представлена на рис. 4.6.
В матрицу переменного сечения устанавливается выталкиватель и засыпается тщательно перемешанный металлический порошок или закладывается предварительно скомпактированная и спеченная порошковая заготовка. Затем создается давление подвижным пуансоном переменного сечения на порошковый материал в направлении уменьшения сечения, и производят прессование порошковой заготовки. Далее постепенно снимается давление и постепенно выводится подвижный пуансон из матрицы. Одновременно выталкиватель удаляет заготовку из матрицы переменного сечения в направлении увеличения сечения с задержкой во времени снятия давления с подвижного пуансона перед окончательным удалением заготовки из матрицы. В последний момент заготовка находится между пуансоном и выталкивателем.
