Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Краткий обзор методов получения заготовок 8
1.2. Общая характеристика технологии получения заготовок путем формования и спекания смесей на основе порошков и связующего (инжекционное формование)
1.2.1. МИМ-технология 13
1.2.2. Сущность технологии инжекционного формования. Перечень технологических операций 14
1.2.3. Оборудование для инжекционного формования 19
1.3. Исходные материалы в МИМ-технологии 24
1.3.1. Порошки, используемые для инжекционного формования 24
1.3.2. Связующие для инжекционного формования 28
1.3.3. МИМ-фидстоки и получаемые из них материалы 31
1.3.4. Новые технологии инжекционного формования 32
1.4. Постановка задачи исследований и ее обоснование 36
Глава 2. Исследование процесса удаления связующего 41
2.1.Методика изготовления образцов. Расчетные и фактические параметры фазового состава образцов 41
2.2. Определение размера частиц в объеме сплава. Статистическая характеристика параметров микроструктуры 54
2.3.Методика исследования кинетики удаления связующего 63
2.3.1. Нагрев заготовок на воздухе 64
2.3.2. Нагрев заготовок в контейнере с затвором 66
2.3.3. Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом в вакууме ...6
2.3.4. Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом с периодическим вакуумированием 72
2.4. Экспериментальные исследования кинетики удаления связующего при нагреве 74
2.4.1 .Нагрев заготовок на воздухе 74
2.4.2. Нагрев заготовок в контейнере с затвором 76
2.4.3. Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом в вакууме ...77 2.3.4.Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом с периодическим вакуумированием 81
Глава 3. Исследование процессов спекания после удаления связующего. Структура и свойства спеченных материалов 83
Глава 4. Анализ влияния технологических факторов на размерную точность заготовок. Практические выводы и рекомендации 88
Общие выводы 111
Приложения 112
Список литературы
- Сущность технологии инжекционного формования. Перечень технологических операций
- МИМ-фидстоки и получаемые из них материалы
- Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом в вакууме
- Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом в вакууме
Введение к работе
Актуальность работы. Из всей совокупности параметров, влияющих на выбор конкретной технологии изготов тения деталей в соответствии с техническими условиями, одними из основных являются размерная точность, качество поверхности и сложность формы заготовок В последние десятилетия наряду с совершенствованием традиционньж методов получения заготовок ковки, штамповки, литья, резки и т п, начали интенсивно развиваться принципиально новые технологии получения заготовок, основанные на процессах консолидации вещества, находящегося в сильно дисперсном состоянии К таким процессам относятся плазменное напыление на удаляемую модель, распыление расплава непосредственно в форму, формование и спекание высокодисперсных порошков Одной из наиболее быстро развивающихся в последнее время является МИМ-технология (аббревиатура Metal Injection Moulding - инжекционное формование из металлических порошков), объемы применения которой ежегодно растут более чем на 10% Сущность этой технологии заключается в том, что высокодисперсные металлические порошки смешивают со связующим до квазижидкого состояния, а из полученных смесей литьем под давлением получают заготовки сложной формы, которые затем спекают Развитие применения указанной технологии обусловлено возможностью получения заготовок очень сложной формы, размерной точностью существенно лучшей, чем при литье расплавов, при отсутствии дефектов структуры, свойственной литью В настоящее время разработано и предлагается на рынке уже несколько сотен видов формуемых смесей, называемых МИМ-фидстоками В качестве связующего обычно используют термопласты или их смеси с насыщенными углеводородами Вместе с тем применение существующих вариантов МИМ-технологии ограничивается высокой стоимостью МИМ-фидстоков, а так же высокой стоимостью их переработки в заготовки из-за длительных термических режимов удаления связующего Толстостенные (толщиной 4-5 мм и более) изделия вообще не могут быть получены при разумных технологических режимах В связи с этим применение МИМ-технологии пока эффективно для заготовок очень сложной формы массой менее 30-50 граммов Поэтому проблема совершенствования и расширения номенклатуры МИМ-фидстоков остается актуальной
Учитывая, что при заданном составе, плотности и физико-механических свойствах конечного материала заготовки, состав и структура твердой фазы (металлического порошка - наполнителя) варьируется в достаточно узких рамках, дальнейшее совершенствование композиций может осуществляться за счет применения более совершенных связующих, к которым предъявляются следующие требования
обеспечение достаточной прочности формовок для технологической транспортировки, в том числе и в термоагрегатах при высокой температуре,
сокращение технологического цикла удаления связующего и расширение диапазона по толщине стенок и габаритов заготовок
Последнее требование является наиболее важным Для решения поставленной задачи большой интерес представляет применение композиций (МИМ-фидстоков), связующим в которых является термореактивная фенолформальдегидная смола (ФФС) В пользу этого утверждения говорят несколько преимуществ термореактивной ФФС по сравнения с термопластами, а именно
композиции на основе реактопластов могут быть сформованы не только литьем под давлением, но и прямым прессованием и пресслю ь-ем Эти процессы могут быть реализованы на обычных прессах для прессования пластмасс,
заготовки из композиций на основе ФФС имеют усадку в несколько раз меньше, чем у термопластов,
сформованные горячим прессованием заготовки на основе ФФС не размягчаются и, следовательно, не теряют форму при нагреве Особенно это важно для крупногабаритных изделий,
при деструкции ФФС газовыделение существенно меньше, чем у термопластов, что будет способствовать увеличению возможной скорости процесса удаления связующего,
невысокая стоимость
Таким образом, создаются предпосылки для расширения технологических возможностей с точки зрения снижения стоимости заготовок, увеличения их массы и размеров
Область применения предлагаемой технологии может распространяться широко, и включать получение заготовок из меди и ее сплавов, алюминия, железа, титана, никеля и других Учитывая, что в произвол-
стве сплавы железа занимают доминирующее положение, а среди них значительную долю занимают чугунные заготовки, именно для чугунных заготовок целесообразно было разработать технологию в первую очередь
Цель и задачи работы
Цель работы
изучить процессы и разработать технологию получения чугунных заготовок путем формования и спекания композиций на основе ультрадисперсных металлических порошков и ФФС,
установить кинетические закономерности термической деструкции связующего и технологические режимы, обеспечивающие бездефектную структуру заготовок,
выявить закономерности размерных изменений заготовок в процессе проведения технологических операций,
разработать рецептуры и технологические режимы получения заготовок из Fe-C сплава с содержанием углерода 2-4%
Методы и средства исследований. Использовались следующие методы исследований
для исследования кинетики удаления связующего - прецизионные измерения массы, объема и плотности в зависимости от времени и температуры,
для исследования фазового состава и структуры - металлографический, рентгеновский методы, электронная микроскопия,
для исследования размерных изменений - построение математической модели, фактические измерения линейных размеров стандартными методами
Научная новизна
Выявлены закономерности влияния температуры и среды нагрева на кинетику термодеструкции связующего в композициях на основе ультрадисперсных металлических порошков и фенолформальдегидной смолы Установлено, что температура начала термодеструкции ФФС в микропорах составляет 600С-650С, а окончание этого процесса происходит в интервале 700С—750С Наиболее интенсивно процесс термодеструкции проходит при нагреве на воздухе
Выявлены закономерности изменения количества углерода и его фазового состояния в процессе нагрева композиций железо - фенолфор-
мальдегидная смола Разработана методика регулирования содержания углерода в заготовке
З Разработана математическая модель расчета поля допусков размеров заготовок в зависимости от технологических факторов Показано и экспериментально подтверждено, что поле допуска для деталей, производимых по предлагаемой технологии не превышает 1,5% от номинальных размеров заготовок
Практическая ценность и реализация работы І Разработанные рекомендации по технологическим схемам изготовления образцов и технологические режимы положены в основу при проектировании и организации опытно-промышленного участка по изготовлению заготовок методом прессования и спекания композиций в ООО "Наномет" г Йошкар-Ола
Апробация работы _, Основные положения и результаты работы, докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на
XII международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2006),
7-й международной научно-технической конференции «Порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия» (Минск, 2006),
Международной научно-технической конференции «Металлургия Машиностроение Станкоинструмент» (Ростов-на-Дону, 2006),
XIII международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2007)
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, списка использованных публикаций с общим объемом 150 страниц текста, 34 таблицы, 36 рисунков и приложений
Сущность технологии инжекционного формования. Перечень технологических операций
Формование и спекание композиций на основе дисперсных порошков и связующего - производственная технология, которая чрезвычайно эффективна для получения заготовок и готовых изделий очень сложной формы с плотностью, достигающей 98-100% от теоретической. Этот метод используют, как правило, для изготовления заготовок, которые невозможно получить другими способами или механическая обработка которых очень дорога; для получения материалов с особыми физико-механическими свойствами, а также заготовок из хрупких или труднообрабатываемых сплавов.
Процесс изготовления изделия данным методом включает в себя выбор металлического порошка и связки, обеспечивающей связывание частиц и хорошую текучесть, смешивания данных компонентов, формования полученной композиции (МИМ-фидстоков) и спекания до высокой плотности, приближающихся к теоретической плотности металла.
Преимущества формования и спекания композиций на основе ультрадисперсных порошков со связующим перед другими методами изготовления однотипных изделий, по литературным данным [55,62,73,88,103], это прежде всего: 1) возможность получать разные по форме детали при меньшей стоимости по сравнению с другими методами металлообработки; 2) возможность получать детали сложной формы, высокой точности и частоты поверхности; 3) возможность получать изделия с толщиной стенок менее 1мм; 4) высокие механические и другие свойства спеченных после формования изделий; 5) сокращение технологических переходов при изготовлении изделий и, как правило, исключение механической обработки; 6) удобство автоматизации; 7) быстрая переналадка оборудования; 8) относительно небольшие затраты на оборудование, инструмент и энергию.
Однако ряд специалистов еще осторожно подходит к оценке данного метода с точки зрения стоимости. Многие авторы считают, что он экономически выгоден лишь при большой серийности и сложности формы изделий [48,73,74,88,98]. Указывается, что, несмотря на относительно высокую стоимость изготовления заготовок методом инжекционного формования, при массовом выпуске она должна стать вполне приемлемой, особенно если учитывать экономию рабочей силы [98]. Полученные фирмой Carborundum данные также свидетельствуют о возможности применения метода при массовом производстве деталей [74]. Среди факторов, сдерживающих развитие данного метода, называют: 1) дороговизна металлических порошков (для обеспечения равномерной структуры необходим размер частиц, как правило, менее 10 мкм). Их цена примерно на 6 долларов за килограмм выше, чем за обычные порошки. [88,103]; 2) необходимость применения значительного количества связующего [62]; 3) длительность процесса удаления связующего (иногда несколько суток); 4) поскольку основная сложность при формовании толстостенных заготовок заключается в возможности образования пустот и трещин, желательно не применять этот метод для изготовления толстостенных заготовок [55].
В любом случае необходимо применение тщательного контроля с помощью ЭВМ за работой оборудования и параметрами процесса, поскольку многие авторы указывают на возможность брака при формовании и спекании [88,98].
В последние годы в литературе и публикациях появились более оптимистичные прогнозы относительно использования метода инжекционного формования в промышленности. Это связано с разработкой нового оборудования для инжекционного формования, в частности печей для одновременного удаления связующего и спекания; удешевлением применяемых порошков; применением более крупных порошков с активацией спекания в присутствии жидкой фазы, под давлением; ускорением процесса удаления связующего; автоматизацией и др. Что касается технико-экономического обоснования необходимости производства заготовок методом инжекционного формования, то в каждом случае проводится сравнение с другими способами получения заготовки.
Так, например, благодаря значительному сокращению трудоемкости, себестоимость изготовления отдельных деталей стрелкового оружия при помощи инжекционного формования на 66% ниже, чем при изготовлении механической обработкой [103]. В любом случае при определении степени экономичности изготовления заготовки нужно иметь в виду следующие факторы: снижение трудоемкости, стоимость исходного порошка, энергетические затраты, стоимость оборудования, стоимость последующей обработки, повышение работоспособности изделий.
Метод инжекционного формования можно внедрить во многих отраслях промышленности при изготовлении различных деталей. Этот метод в настоящее время с успехом применяется для изготовления деталей авиационной и ракетно-космической техники, деталей ЭВМ и электронно-счетных машин, деталей оргтехники, в электронной, ядерной, военной, химической, текстильной, автомобильной промышленности, для деталей сварочной техники, медицинской техники (биокерамика - биоимплантанты), радиоэлектронной аппаратуры и т.д.
МИМ-фидстоки и получаемые из них материалы
Необходимо определить по фотографии шлифа диаметр сечений сферических частиц, средняя истинная величина которого для данного объекта равна а. Фактические значения этого параметра на шлифе изменяются в более или менее широких пределах и поэтому, измерив х элементов структуры, получим X разных значений параметра: Dh D2, ... Д,.Этот набор случайно взятых и измеренных х элементов структуры называют в статистике выборкой, а число х -объемом выборки.
Измеряемые элементы структуры взяты случайно, без какого - либо предпочтения по отношению к той или другой их категории, без отбрасывания тех значений, которые даже весьма существенно отклоняются от подавляющего большинства измеренных величин. Основной показатель, характеризующий величину или количество данного параметра структуры, - его средняя арифметическая, которую определяют по формуле: D = (Dl+D2 + ...+Dx) (2.2.1) В нашем случае д =300, тогда D = 3,56мкм. Второй показатель, дополняющий среднюю арифметическую и характеризующий однородность измеряемого параметра по величине (или количеству), является его среднее квадратичное отклонение )D2+D2+...+D2 аф) = #J-! 2 --(D)2 (2.2.2) х Поправочный коэффициент К зависит от объема выборки, т.е. от числа выполненных независимых измерений (или подсчетов) х. K = V /( -l) (2.2.3) Подставим соответствующие числа, получим К = 1,002 7(2)) = 1,118мкм. Для оценки степени однородности данного параметра структуры пользуются также его дисперсией D(D), равной квадрату среднего квадратичного отклонения: Оф) = [аф$ (2.2.4) Оф) = [a(D)f=1,1182=1,25 мкм2 Для той же цели часто пользуются величиной отношения среднего квадратичного отклонения к средней арифметической, называемой коэффициентом вариации (или изменчивости): d = a{D)ID (2.2.5) 8 = cr(D)/D = 1,118/3,56 = 0,31
Наиболее полное представление о каком-либо параметре структуры дает кривая частот или плотности распределения величин и чисел, характеризующих этот параметр. Для получения кривой частот все измеренные величины данного параметра (представляющие выборку) подразделяют на ряд групп или интервалов и подсчитывают число случаев попадания измеренных параметров в каждую из измеренных групп. Числа эти могут быть выражены в процентах от общего числа измеренных параметров. В приложении № 7 приведено распределение диаметров 300 зерен металлической фазы, полученное после прессования заготовок. Результаты представлены на рис. 17,18.
Формы распределения многочисленны, но в металлических структурах важнейшее место занимает закон или плотность нормального распределения или распределения Гаусса, которое выражается формулой: (p{D) = ——ехр (D-D)2 la1 (2.2.6) где а - измеренная величина параметра; D - средняя арифметическая величина параметра; сг - среднее квадратичное отклонение параметра, т.е. (7(D). Для проверки соответствия экспериментально полученного распределения закону нормального распределения, была построена выпрямленная кривая частот, т.е. распределение в таких координатах, в которых плотность нормального распределения выражается прямой линией. В колонке 4 табл. 11 приведена сумма чисел частиц Jjc{, диаметр которых не превышает величины размера зерен Д, деленное на общее число зерен 300. Каждое из чисел колонки 4 последовательно приравняем нормированной плотности нормального распределения ф{і): ,2 = да = 4= \е 2Л. (2.2.7) 300 V2i_„ Интеграл не берется в элементарных функциях, соответствующее значение нормированного отклонения t находят по таблице ([26], приложение с. 269); t может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Если экспериментально полученная кривая частот соответствует закону нормального распределения, зависимость между параметром Д и нормированным отклонением t будет прямолинейной и поэтому называется выпрямленной кривой частот. Для рассматриваемого случая эта зависимость не прямолинейна (рис. 19). Но если вместо величин размеров зерен Д взять логарифмы размеров зерен, то зависимость состоит из двух прямолинейных участков (рис. 20).
График зависимости размера частиц от нормированного отклонения Логарифм размера частиц, мкм Рис.20. График зависимости логарифма размера частиц от нормированного отклонения
Это значит, что закону нормального распределения подчиняются логарифмы размеров зерен, т.е. распределение диаметров зерен выражается логарифмически нормальным распределением.
Точность погрешность статистической ошибки При всех количественных оценках параметров структуры весьма важно знать возможную погрешность полученной оценки, или же заранее найти условия микроанализа, обеспечивающие получение его результата с определенной, заранее оговоренной погрешностью.
Разница между истиной средней величиной определяемого параметра структуры и найденной из опыта средней арифметической выборкой D составляет абсолютную статистическую ошибку є определения (при данном объеме выборки, составляющем % измерений): e = \D-D\ (2.2.8) Поскольку истинная средняя величина параметра а неизвестна, определить ошибку по формуле невозможно. Но ее можно рассчитать по формуле: є = шф), (2.2.9) где (7(D)- среднее квадратичное отклонение средней арифметической выборки (выборочной средней); t - нормированное отклонение.
Рассмотрим величины, входящие в формулу (2.2.9) и способы их определения. Среднее квадратичное отклонение выборочной средней cr(D) можно определить экспериментально по результатам нескольких повторных выборок, каждая из которых содержит х измерений на том же шлифе в нескольких полях зрения. Проводим z выборок по х измерений в каждой выборке, и определяем для каждой выборки среднюю арифметическую величину измеряемого параметра структуры (D) (табл.11) по формуле (2.2.1). Полученные значения средних арифметических величин D D ...D будут, вообще говоря, несколько разниться друг от друга и от истинной средней величины определяемого параметра D. Полученные значения выборочных средних подставляем в формулу (2) вместо величин D ,D ...D , а вместо х подставляем в формулу (2.2.2) и (2.2.3) число независимых выборок z. D?+D +...+D2 _ cr(D) = K 2_ x—(D0f , где D - средняя арифметическая всех выборочных средних В нашем случае D = 3,85 мкм, поправочный коэффициент рассчитан выше К =1,002 D2 + D2+...+ 2 _ cr(D) = K 2- --(DQ)2 =3,40%
Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом в вакууме
Значения статистической погрешности величины значений параметров, представленных в табл.21 - 23: (AD/DocP.) = ±0,63%; (- AD/D,cp) = ±0,67%; ( -Am/mocp)= ±0,34%; (- Am/mIcp) = ±0,38%, p! = ±0,95%; p2 = ±0,90%; p0 = ±0,93%.
При такой обработке содержание углерода уменьшалось до 3,28%, что типично для чугунов.
Обезуглероживание в вакууме связано с тем, что в данном случае реакция 2С+02+- 2СО сдвигается вправо. Применение циклического вакуумирования увеличивает содержание кислорода, участвовавшего в реакции, поэтому обезуглероживание проявляется в большей степени.
Второй путь регулирования содержания углерода - высокотемпературное спекание изделий в среде с заданным углеродным потенциалом. Эти вопросы освещены в третьей главе.
Как показано в предыдущей главе после удаления связующего материал заготовок содержит чрезвычайно дисперсный углерод (кокс), расположенный в пространстве между частицами металла. Показано, что, используя низкотемпературный отжиг в неглубоком вакууме, получаемый форвакуумным насосом, можно снизить содержание углерода до количеств, соответствующих его содержанию в чугуне. При окончательном спекании, которое происходит в интервале температур 1150-И200С, содержание углерода может изменяться. Заготовка является газопроницаемой, что создает предпосылки для взаимодействия углерода и газов, находящихся в печи спекания. Учитывая это обстоятельство, процесс спекания изучался с применением трех сред: водорода, эндогаза, нейтральной в контейнере с затвором.
Водородное спекание осуществлялось в промышленной толкательной печи СТК 2,5, точка росы водорода - (Ю...20)С. Спекание в среде эндогаза осуществлялось в конвейерной печи Агат-01 и спекание в контейнере с плавким затвором осуществлялось в печи KILS-25 производства Германии.
Результаты по содержанию углерода приведены на рис.32. Установлено, что при спекании в водороде имеет место сильное обезуглероживание, обусловленное прохождением реакции С+2Н2 -+СН4 «
Обезуглероживание имеет место и при спекании в среде эндогаза, однако в значительно меньшей степени, чем в водороде. В данном случае уже можно регулировать содержание углерода за счет вариации времени выдержки. Наилучшие результаты с точки зрения стабильности этого параметра получены при спекании в контейнере с плавким затвором. При отсутствии в среде спекания проточных газов, обладающих обезуглероживающим действием, содержание углерода остается стабильным. Вместе с тем, как показано в главе 2, на стадии низкотемпературного спекания, для регулирования содержания углерода необходимо применять нагрев в вакууме, что несколько удорожает продукцию. Тот или иной вариант технологии выбирается исходя из требуемого интервала регулирования и требований к состоянию поверхности. Изучалось влияние содержания углерода на плотность заготовок (табл.24) после спекания. Для этого изготавливались образцы с удаленным связующим и различным содержанием углерода, которое обеспечивалось за счет применения различных сред на этапе удаления связующего: воздух, контейнер с затвором, вакуум и температуры спекания, при которой достигается высокая плотность существенно различны для образцов с разным содержанием углерода. Таблица 24 Влияние содержания углерода на плотность образцов после высокотемпературного спекания Технология удаления связующего. Содержание углерода перед спеканием, % Относительная плотность после высокотемпературного спекания в разных средах и при различных температурах Эндогаз Контейнер с затвором Т,С Тр/Ртеор Т,С У=р/ртеор Нагрев на воздухе углерод-0,5 1100 1140 1200 1300 0,69 0,78 0,85 0,96 1100 1140 1200 0,7 0,74 0,82 Нагрев в контейнере с затвором углерод-5,15 1100 1140 1200 0,820,88оплавление 1100 1140 1200 0,860,92оплавление
Нагрев в контейнере с за-твором+ нагрев в вакууме углерод - 3,2 1100 1140 1200 0,840,90оплавление 1100 1140 1200 0,840,91оплавление
Такое влияние углерода согласуется с диаграммой состояния железо - углерод, согласно которой в сплавах, содержащих более 2% углерода при температуре выше 1143С образуется жидкая фаза, наличие которой активирует спекание.
Фазовый состав и структура спеченных образцов исследовалась с применением металлографии, рентгенографии и растровой электронной микроскопии. Материал, полученный по оптимальным режимам, содержит в структуре фер 86 рит, перлит, включения цементита и графита, а также небольшое количество пор. Никель находится в полностью растворенном состоянии и не обнаруживается в свободном состоянии ни металлографическим, ни рентгенографическим методами. Включения углерода (графита) чрезвычайно мелкие и имеют хлопьевидную округлую форму. Для структуры характерно отсутствие наблюдаемых границ зерен, что принципиально отличает ее от структуры материала, полученного литьем (рис.33).
Фотография спеченного образца, полученная на растровом электронном микроскопе. х2000 При малых скоростях охлаждения увеличивается количество свободного углерода (графита). Механические свойства материала представлены в табл.25. Таблица 25 Свойства заготовок после высокотемпературного спекания р, г/см о"в, Н/мм2 5,% нв 6,00 140 - 55-100 7,23 450 6 150-200 Аналогичные свойства высокопрочного чугуна марки ВЧ45-5 составляют ]: ав,=45кГ/мм2; б = 5%; НВ = 120-207 Такое сравнение позволяет убедиться, что свойства нашего чугуна близки к лучшим маркам высокопрочных чугунов.
Таким образом, результаты исследований, изложенных в третьей главе, свидетельствуют о принципиальной возможности получения в материале заданно 87 го содержания углерода и после высокотемпературного спекания высокой относительной плотности (более 92%); механические свойства такого материала не уступают свойствам высокопрочного чугуна.
Нагрев заготовок в контейнере с затвором с последующим нагревом в вакууме
Как следует из таблицы 27, отклонения плотности большинства выпускаемых в России полимерных материалов велики и для применения их в качестве связующего композиций необходимо регламентировать дополнительные требования по стабильности плотности. Параметр р?
Для МИМ-фидстоков применяются порошки на основе железа преимущественно сферической формы, полученные либо распылением расплава, либо карбонильным методом. Плотность вещества частиц, которая обычно определяется как пикнометрическая плотность, может отличаться от теоретической плотно 95 сти железа. На величину этой плотности влияют оксиды, наличие углерода и примесей, адсорбированные атомы, наличие пор. Так, даже для карбонильных порошков потеря массы при прокаливании в водороде может составлять от 0,5% для порошков марки ВМ до 3% для порошков марки НМ. Главное, чтобы эти отклонения были постоянны, и их можно было учесть при составлении рецептуры. Следует отметить, что пикнометрическая плотность порошков, выпускаемых отечественной промышленностью, не регламентируется.
Параметр Ря
Плотность спеченной композиции определяется плотностью сырой прессовки, грансоставом и химическим составом металлической фазы, температурой, временем выдержки, средой спекания.
Для получения плотных заготовок пригодны материалы, для которых кривые плотность-время спекания при различных температурах в интервале плотностей, приближающихся к теоретической, имеют асимптотический вид с наклоном к оси абсцисс, уменьшающимся при повышении температуры.
К сожалению, в имеющихся публикациях отсутствуют систематические данные исследований плотности при спекании в различных температурных и временных интервалах стальных порошков различной дисперсности и состава. Вместе с тем по результатам отдельных публикаций [16,40,82] можно произвести достаточно корректные оценки влияния вариаций температуры и времени выдержки на изменения размеров и сформулировать ряд общих положений.
Как следует из данных работ [16,40,82], возможные изменения плотности р3 при варьировании температуры и времени выдержки тем меньше, чем ближе температура и время выдержки к значениям, при которых достигается высокая плотность (96-99,5% от теоретической). Характерно, что даже для таких существенно разных материалов: карбонильное железо и быстрорежущая сталь изменения плотности при одинаковых интервалах варьирования температуры и времени близки.
Интересно произвести количественную оценку размерных изменений в оптимальном интервале на основе данных, представленных в таблице 28. Таблица 28 Изменение плотности при спекании высокодисперсных порошков на основе железа Изменение относительной плотности, на 10С (в Материал Максимальная числителе), на 5 минут выдержки при максималь Температурный ин- относительная ной температуре (в знаменателе), при различном тервал, С плотность времени спекания, мин 60 90 120 Карбонильное железо[7] 1050-1250 0,995 0.00375 0,044 0.00325 0,005 0,00225 0,0017 Быстрорежущая сталь [8] 1100-1150 0,97 0,01 0,047 0,01 0,0028 1150-1200 0,98 0,008 0,053 0,002 0,0011 Карбонильное железо +2% никеля [ ] 1150+1250 0,98 0,008 0,007 0,007 0,073 0,003 0,0017 Быстрорежущая сталь [9] 1220-1270 1,0 0,008 " Примечания: [ ] - по данным авторов Если принять 5Т = 10С (±5С), 5t = 5 мин (±2,5 мин), изменения плотности спеченного изделия (см. табл. 28) в оптимальном интервале: - - = 0,007+0,0017=0,0087 и Sp5=0,068 или 0,87%. Pi Параметр 8d„ Для оценки величины 5dnp в определенной степени могут быть использованы хорошо разработанные методики определения допусков для изделий из пла 97 стмасс [36]. При этом необходимо учитывать, что если для пластмасс их усадка и ее колебания непосредственно влияет на допуски, в случае прессования МИМ-фидстоков можно показать, что колебания усадки, не приводящие к изменению массы металлической фазы, при последующем спекании нивелируются изменением усадки и их влияние на конечный размер снижается на порядок. Учитывая, что типичные МИМ-фидстоки фактически являются высоконапол-ненными термопластами, не имеющими аналогов в пластмассовом производстве, исследованию их размерных изменений продолжает уделяться большое внимание [53].
Как всегда, при создании реальной технологии, величины 8Х 8plt 8р2, 8р3, 5dnp определяются в результате компромисса между техническим возможностями и стоимостью. Именно потому, что в последнее время этот компромисс найден, наблюдается бурное развитие МИМ-технологии.
Ниже приведены расчетные значения величин из уравнения (4) при средних значениях параметров МИМ-фидстоков на основе железа. При оценке величин вариаций параметров мы руководствовались изложенными выше соображениями, справочными данными [36] и документами российских поставщиков. Эти величины носят экспертный характер. х=0,14; К,=0,951; 8х = 0,0014; К, 100 5х= 0,133 мм; р,=1,13 г/см3; К2=0,121; Sp, = 0,033; К2 100 бр, = 0,40 мм; р2=7,8 г/см3; К3=0,0172; 5р2 = 0,039; К2 100 5р2= 0,067 мм; р3=7,6 г/см3; К4=0,0352; 5р3 = 0,068; К3 100 5р3 = 0,23 мм; d„p=100 мм; К5=0,8016; 5dn = 0,15; K5 5d„p= 0,12 мм; 5dcn=0,133+0,40+0,067+0,23+0,12=0,95 мм; - = 0,0118; по данным [7] -- - = 0,01; СП " СП
В заключение следует отметить, что в настоящей работе не учитывались масштабные факторы, фактор формы, анизотропия прессовок. Нашей задачей было оценить долю влияния каждого из рассматриваемых технологических факторов на размерную точность, и с этой точки зрения, полученные результа 98 ты позволяют судить, во-первых, о принципиальной возможности достижения определенной размерной точности изделий, а также определить пути совершенствования технологии, в частности, определения требований к исходным материалам.
Совпадение расчетных и достигнутых на практике значений [7] величин СП —, говорит о том, что принятая методика расчета поля допусков заготовок, dcn получаемых путем формования и спекания композиций на основе ультрадисперсных металлических порошков и связующего, может использоваться в практических расчетах. Далее оценим поля допусков размеров, получаемых из композиций на основе фенолформальдегидной смолы. В данном случае pi - 1,3 г/см3 - плотность вещества связующего ; P2 - 7,8 г/см - плотность вещества порошка; рз - 7,3 г/см - плотность спеченного материала; х - 0,18 - отношение массы связующего к массе порошка.
