Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


7.4.Дополнительные операции
Пропитка жидкими металлами
Механическая обработка
Пропитка изделий маслом
Цель химико-термической обработки —
7.5.Пористые материалы
Пористое охлаждение
Подобный материал:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   48

7.4.ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ



После спекания изделия могут подвергаться дополнительной обработке — калиброванию, термической обработке, нанесению покрытий и другим видам обработки для повышения качества. Перспективным направлением получения деталей из порошков является создание оборудования для изготовления деталей, не требующих дополнительной обработки. Дополнительные технологические операции используют для достижения чистоты поверхности и точности (механическая обработка, калибровка), для получения физических и механических свойств — химико-термическая обработка и различные пропитки.

Калибрование применяют для получения размеров 6–11 квалитета точности. Калибруют как по одному (наружному или внутреннему диаметру), так и по нескольким параметрам, минимальный припуск равен 0,05–0,07 мм. Детали, содержащие в структуре цементит, необходимо перед калибровкой отжигать.

Пропитка жидкими металлами применяется при изготовлении электроконтактных и некоторых конструкционных материалов. При этом жидким металлом или сплавом заполняются сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. Существует два варианта пропитки. По первому варианту на пористый каркас помещают пропитывающий металл в виде кусочка с объемом равным объему пор каркаса и нагревают в печи до температуры плавления пропитывающего материала. По второму варианту пористый каркас помещают в расплав пропитывающего металла или в зацепку из порошка пропитывающего металла. Впитывание происходит под действием капиллярных сил. Скорость пропитки составляет десятые доли миллиметра в секунду и увеличивается с повышением температуры. Температура пропитки обычно на 100–150 °C превышает температуру плавления пропитывающего металла. Однако эта температура не должна быть больше температуры плавления металла каркаса. Для улучшения смачиваемости к пропитывающему металлу добавляют различные присадки.

Механическая обработка имеет особенности, вызванные пористостью материала. Режущий инструмент испытывает микроудары, приводящие к его быстрому затуплению. Для обработки применяют твердые сплавы и алмазный инструмент.

Пропитка изделий маслом (машинным или веретенным) при температуре от 110 до –120°С происходит в течение 1 ч. Масло заполняет поры изделий и в процессе работы поступает по капиллярам на поверхности трения. Это иногда позволяет избавиться от смазки изделий в процессе работы и улучшает условия трущейся пары.

Цель химико-термической обработки — улучшение механических свойств изделий, расширение области их применения. К этому виду обработки относятся нитроцементация, диффузионное хромирование, увеличивающие износо- и коррозионную стойкость в несколько раз.


Рассмотрим типовые технологические схемы производства деталей из порошков (рис. 107): схема 1 — для изготовления деталей антифрикционного назначения; схема 2 — для получения деталей, не испытывающих нагрузок или слабо нагруженных; схема 3 — для изготовления конструкционных деталей, испытывающих значительные нагрузки; схема 4 — для получения деталей с операцией штамповка; схема 5 — для изготовления деталей ответственного назначения; схема 6 — для получения конструкционных деталей ответственного назначения повышенной прочности.


Рис. 107. Технологические схемы изготовления деталей из порошков


7.5.ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ



Отличительной чертой порошковой металлургии является возможность производить пористые материалы, области применения которых определяются структурой пор. Пористые материалы являются прочными и устойчивыми к коррозии, могут работать в широком диапазоне температур, не засоряют фильтруемую жидкость, легко подвергаются механической обработке и сварке, допускают многократную регенерацию, обладают высокой тепло- и электропроводностью.

В зависимости от способа производства пористые материалы получают с пористостью до 98 %, различной геометрией пор и размером пор от долей микрометра до нескольких миллиметров. Пористостью называется отношение объема пустот в материале к его полному объему.

Свойства пористых материалов зависят от свойств исходных порошков и технологического процесса их изготовления. Для их изготовления используются металлические порошки как со сферической, так и с несферической формой частиц размерами от нескольких до тысячи микрометров из различных металлов и сплавов.

По значимости и объемам применения пористые материалы можно распределить так: бронза, нержавеющая сталь, никель и его сплавы, титан, серебро, платина, вольфрам, хром, алюминий. Пористые материалы, кроме того, производятся из карбидов, боридов, силицидов и других тугоплавких металлов. К группе пористых относятся антифрикционные, фрикционные материалы, фильтры и так называемые потеющие материалы.

Бронзовые фильтры обычно изготавливаются из порошков со сферической формой частиц, полученных путем распыления жидкого металла. Температура спекания составляет 800–900 °С. Продолжительность спекания — от 30 минут до 1 часа. Бронзовые фильтры находят широкое применение в промышленности для очистки жидкого горючего в дизелях и реактивных двигателях, смазочных материалов и сжатых газов от твердых примесей размерами 5–200 мкм, а также для очистки разбавленных кислот и щелочей, расплавленного парафина и т.д.

Пористые материалы, изготавливаемые из порошков электролитического и карбонильного никеля методом прессования и последующего спекания при температуре 1000–1100 °С, предназначены для работы в качестве фильтров и пористых электродов. Они находят широкое применение в электрохимии и катализе. Так, щелочные аккумуляторы, электроды которых представляют собой высокопористые никелевые пластины, по сравнению с обычными аккумуляторами имеют меньший вес и габариты. Широкое применение находят фильтры из нержавеющей стали, которые обладают более высокой коррозионной стойкостью и значительно дешевле чистого никеля. Применение пористых материалов для борьбы с обледенением самолетов позволяет снизить на 50 % расход антифриза.

Использование пористого титана в различных отраслях техники обусловлено рядом его ценных свойств, главным из которых является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и высокая удельная прочность. Титановые пористые материалы получают из порошков с размером частиц менее 60 мкм с наполнителем, а также из электролитического порошка с размером частиц до 1 мм без наполнителя. Такие изделия спекают в специальной атмосфере при температуре 950–1150 °С в течение 1,5–2 ч. Пористый титан стоек в азотной кислоте и щелочных растворах, обеспечивает тонкость очистки менее 5 мкм.

Металлопластмассовые антифрикционные материалы представляют собой высокопористый металлический каркас из бронзы, железа, коррозионной стали и т. д., пропитанный фторопластом или пластмассой другого вида. Сочетание повышенных антифрикционных свойств пластмасс со свойствами металлов позволяет получать материалы, способные работать в вакууме, различных газовых средах, воде, агрессивных жидкостях, бензине, некоторых кислотах, а также в условиях низких температур. Для повышения антифрикционных свойств к этим материалам добавляют тонкие порошки свинца, сульфидов, молибдена, стекловолокна и т. д. Эти наполнители выполняют роль сухой смазки и упрочняют пластмассовый слой. Металлопластмассовые подшипники работают без смазки при температурах от +280 до –200 °С.

Использование порошковых подшипников повышает надежность и долговечность работающего оборудования, снижает трудоемкость процесса их изготовления, позволяет уменьшить отходы металла в стружку, обеспечивает экономию дефицитных цветных металлов и сплавов.

Порошковые фрикционные материалы предназначены для работы в различных тормозных и передаточных узлах автомобилей, гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, самолетов, станков, прессов и т. п. Фрикционные элементы из порошковых материалов изготовляют в виде дисков, секторных накладок и колодок различной конфигурации. Применяют порошковые фрикционные материалы на основе меди и железа.

По сравнению с антифрикционными порошковые материалы обладают более высокими значениями термо- и износостойкости (в 2–4 раза), а в некоторых случаях, например при работе с легированным чугуном, и более высоким (на 15–25 %) коэффициентом трения.

Применение порошковых фрикционных материалов в тормозных передаточных устройствах взамен литых (сталь, чугун) либо антифрикционных деталей позволяет повысить долговечность, надежность и эффективность фрикционных узлов машин и механизмов, создать новые конструкции фрикционных узлов, имеющих более высокий коэффициент трения, высокую стабильность, износо- и термостойкость.

Высокопористые порошковые металлические материалы, благодаря жесткому пространственному каркасу, имеют более высокую прочность. Они выдерживают резкие колебания температур, легко обрабатываются, свариваются и паяются, обеспечивают необходимую коррозионную стойкость, жаростойкость, теплопроводность. Благодаря высокой пористости они имеют хорошую проницаемость для жидкостей и газов при достаточно тонкой фильтрации (до 30 мкм). Эти материалы легко регенерируются и при этом почти полностью восстанавливают свои первоначальные свойства. Они не засоряют фильтрующиеся жидкости или газы материалами фильтра.

Основные требования, которые предъявляются к формованию при изготовлении пористых материалов, связаны с получением изделий заданных форм и размеров с требуемой пористостью и обеспечением равномерного и заданного распределения пористости по сечению изделия.

Для изготовления пористых материалов используют металлические порошки как со сферической, так и несферической формой частиц с размерами от нескольких до тысячи микрометров из различных металлов и сплавов.

Для увеличения пористости и облегчения прессования труднопрессуемых порошков к ним добавляют специальные наполнители, которые не должны быть гигроскопичными, вступать в химическое взаимодействие с металлическим порошком во время смешивания и прессования, разлагаться при температуре ниже температуры спекания, оставлять продукты разложения в порах заготовки после спекания. В качестве наполнителя используют поливиниловый спирт, парафин, двууглекислый аммоний, четыреххлористый аммоний и др. в количестве от 3 до10 % массы металлического порошка.

Технология изготовления пористых материалов включает в себя традиционную для порошковой металлургии схему изготовления — формование и спекание.

Статистическим прессованием изготавливают пористые материалы простейшей формы в виде диска, конуса, втулки, чечевицы и т. п. Достоинства — высокая точность размеров и большая производительность. Недостатки — неравномерность проницаемости и ограниченность форм и размеров.

Гидростатическим или гидродинамическим прессованием удается получать пористые материалы в виде длинных труб, а также труб с донышком и фланцем с равномерной пористостью. Обычно давление прессования составляет 100–200 МПа. Достоинства — получение тонкостенных изделий, а также изделий больших размеров, равномерное распределение пористости. Недостатки — невысокая производительность.

Методом мундштучного прессования изготавливают пористые трубы диаметром до 100 мм и длиной до 1 м с пористостью 50–60 %. Для этой цели подготавливают шликер из порошка на крахмальном клейстере. Суспензию экструдируют под прессом в трубу необходимого диаметра и длины. После сушки трубы спекают в защитной атмосфере. Недостатком метода является необходимость введения пластификатора и ограниченность формы.

Свободная засыпка порошка в форму — простейший способ формования пористых материалов без приложения давления. Для лучшего заполнения форм порошком, устранения арочного эффекта, а также с целью получения равномерной пористости форму при засыпке подвергают вибрации (вручную или на вибровстряхивателе). Основное требование к материалу формы — отсутствие взаимодействия с материалом порошка при температуре спекания. Для порошков цветных металлов применяют керамические формы. Предотвращению припекания частиц порошка к стенкам формы способствует их покрытие подходящей суспензией, например глинозема с водой, и последующая сушка. Теоретически габариты заготовок, сформованных свободной засыпкой порошка в формы, не ограничены — они определены размерами пространства печей спекания.

Пористое охлаждение — один из эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и механизмов. Испарительное охлаждение предусматривает принудительное пропускание жидкости через пористую среду. При этом тепло, выделяющееся на поверхности пористого тела, поглощается и рассеивается испарительным охлаждающим устройством. Возможности использования пористого материала для контроля температуры на поверхности практически не ограничены. Детали из пористого металла могут использоваться для создания условий локального нагрева и одновременно для охлаждения локального перегрева механизмов.

Перспективным является применение в промышленности тепловых труб, обеспечивающих выравнивание температурного поля в различных аппаратах и установках. Например, использование низкотемпературных тепловых труб в электрических машинах для охлаждения роторов и статоров двигателей, генераторов, а также обмоток трансформаторов позволило увеличить их мощность на 30–50 %. Успешно используются тепловые трубы для охлаждения высоковольтных выключателей большой мощности. Тепловые трубы и паровые камеры имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными элементами передачи тепла (циркуляционными теплообменниками), так как в них не используют подвижные детали, они бесшумны, не требуют расхода энергии на перекачку теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения, обладают малым термическим сопротивлением.