Глава IV Прогрессивные технологии

штамповки деталей из порошков

Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся получением порошков и изделий из них. Современные методы производства порошков и гранул из различных материалов, методы формо­вания из них деталей разных форм и раз­меров, методы консолидации отдельных частиц порошка, из которого произведено формообразование заготовки, - обеспечи­вают заданные механические характери­стики изделия. Консолидация (спекание) во многих случаях сопровождается терми­ческой обработкой заготовки.

Широкий круг перечисленных проблем освещен в третьей главе восьмого раздела

учебника. В данной главе основное вни­мание сконцентрировано только на прида­нии формы и механических характеристик изделиям, зависящих от операций уплот­нения порошковых материалов на желез­ной основе.

Именно эта область порошковой ме­таллургии была развита слабее, чем ос­тальные, и затрудняла общее динамичное развитие. Новые прогрессивные техноло­гические и технические решения для кон­кретных деталей, материалов и оборудо­вания, содержащиеся в материале этой главы, способствуют ликвидации такого отставания.

108

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

1. ВИДЫ ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ, ПРОГРЕССИВНЫЕ СПОСОБЫ ИХ ПРОИЗВОДСТВА ИЗ ПОРОШКОВ

Качество машиностроительных дета­лей, определяемое эксплуатационными характеристиками, в значительной степе­ни зависит от структуры исходной заго­товки и термомеханических режимов штамповки. При правильно выбранном термомеханическом режиме штамповки и последующей термической обработке можно добиться весьма существенного улучшения качества в результате направ­ленного формирования внутреннего стро­ения поковки. Однако полностью исклю­чить химическую неоднородность внут­реннего строения поковки и достичь од­нородного кристаллического строения удается не всегда.

С целью повышения качества деталей проводится их изготовление из порошков, поскольку химическую однородность от­дельных частиц порошка, их размеры и кристаллическое строение обеспечить зна­чительно проще. Кроме этого, преимуще­ство применения порошковой металлур­гии для изготовления металлических дета­лей заключается в том, что оказывается возможным получать новые технические материалы, которые нельзя или невыгодно получать другими способами. Таковы, например, тугоплавкие и твердые металлы и сплавы, композиции из металлов, не смешивающихся в жидком состоянии и не образующих твердых растворов (железо -свинец и др.) или неметаллических соеди­нений. Другим достоинством порошковой металлургии является близость штампо­ванной заготовки к размерам детали и со­кращение операций обработки заготовки резанием. К числу преимуществ порошко­вой металлургии так же относится воз­можность использования отходов (окали­на, стружка) для получения порошков.

В порошковых деталях, изготовленных холодным формованием и спеканием, ве­личина остаточной пористости составляет

13 ... 15 %. В горячештампованных по­рошковых заготовках остаточная порис­тость практически отсутствует; но, по­скольку частицы порошка покрыты ок­сидной пленкой, затрудняющей диффузи­онные процессы, практически невозможно достичь высоких значений прочности и ударной вязкости. Кроме того, при горя­чей штамповке увеличиваются по сравне­нию с холодным формованием и спекани­ем припуски на наружных поверхностях поковки, удаляемые последующей обра­боткой резанием.

Если остаточная пористость материала играет положительную роль (как, напри­мер, в подшипниковых материалах), то порошковая металлургия имеет несомнен­ное преимущество в их производстве. Од­нако, пористость является недостатком, когда новый материал должен иметь ком­плекс механических характеристик, соче­тающих высокие прочность и ударную вязкость.

Указанные недостатки в сочетании с большой стоимостью железных порошков сдерживали использование технологии порошковой металлургии в машинострое­нии. Расширить производство деталей, к которым предъявляются требования высо­кой прочности и одновременно высокой ударной вязкости, можно в результате разработки новых методов уплотнения порошков без нагрева, позволяющих обес­печить высокую плотность деталей. На­пример, требуемый комплекс механиче­ских характеристик можно получить, если изготовить холодной штамповкой детали с остаточной пористостью менее 5 % и осуществить диффузию при спекании в защитной атмосфере.

При изготовлении порошковых дета­лей из железа, легированного другими материалами, применяют два способа: один - перемешивание различных порош­ковых компонентов (железной основы и легирующих элементов), уплотнение -сме­си и превращение смеси в сталь в резуль­тате металлургических процессов, проте-

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

109

кающих при ее спекании; другой - ис­пользование порошков, полученных раз­мельчением заготовок из легированной стали, их уплотнение и спекание. В пер­вом случае сплав называют негомогенно-легированным, во втором случае - гомо­генно-легированным.

Обозначение железного порошка (ГОСТ 9849-86) включает указание на способ его изготовления, например, "В" -восстановленный; марку по химическому составу, например, 2; предельную круп­ность частиц в микрометрах, например, 160; и среднюю насыпную плотность, на­пример, 2,4 г/см³; обозначение такого по­рошка - ПЖВ2.160.24. Марка ПЖР - это распыленный воздухом железный поро­шок, ПЖРВ - распыленный водой. После­дующие цифры в марке - аналогично вос­становленным порошкам.

Порошковые конструкционные детали из легированных материалов на железной основе - порошковые стали - являются основным видом продукции порошковой металлургии. Свойства порошковых ста­лей, как и сталей, получаемых традицион­ным металлургическим переделом, опре­деляются составом, технологией получе­ния и структурой. Причем для порошко­вых сталей структурными факторами яв­ляются не только фазовый состав, размер зерна и параметры субструктуры, но и пористость, а также строение межчастич­ных контактов. Порошковые стали могут быть углеродистые (в зависимости от со­держания углерода - низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглероди­стые) или легированные (низколегирован­ные, легированные или сложнолегирован-ные).

Наиболее распространенным для же­лезных порошков является легирование углеродом, под действием которого изделие приобретает способность закаливаться. Из­делия из легированных порошков имеют следующие механические характеристики. При добавлении не более 0,2 % углерода от массы порошка, временное сопротивление

а_в = 120 МПа, относительное удлинение при испытании образца на разрыв 5 = 8 %, ударная вязкость КС = 350 кДж/м². При добавлении 0,8 ... 1,1 % углерода а_в = 200 МПа, 5 = 4 %, КС = 220 кДж/м².

У спеченного брикета путем закалки можно повысить а_в до 350 МПа, но при этом 5 снижается до 2 %. Указанные ха­рактеристики относятся к образцам, имею­щим остаточную пористость 10 ... 15 %.

При уплотнении до пористости 2 ... 4 % спеченный порошок имеет а_в =450 МПа, 5=10%, КС = 450 кДж/м².

Введение меди в порошковое железо повышает прочность, но снижает пла­стичность и ударную вязкость. Наиболее интенсивное возрастание прочности на­блюдается при совместном введении меди (до 5 ... 6 %) и углерода (до 0,3 ... 0,6 %). Кроме того, медь повышает обрабатывае­мость порошкового материала резанием и сопротивление коррозии.

Легирование порошкового железа од­ним никелем применяется редко. При этом для существенного повышения механиче­ских характеристик необходимо спекание при высокой температуре. При введении в порошковую смесь никеля с графитом повышаются пластичность и ударная вяз­кость железографитовой композиции.

При легировании медью и никелем медь обеспечивает повышение прочности изделия, а никель - пластичности и удар­ной вязкости. Установлено, что если прочность на разрыв железомедных об­разцов с пористостью 10 % при содержа­нии меди 2 % составляет 260 ... 300 МПа, то при одновременном легировании желе­за 2 % меди и 4 % никеля прочность на разрыв достигает 400 ... 420 МПа, удли­нение составляет 7 ... 8 %, твердость НВ 120... 127.

Молибден при введении его в порош­ковую шихту является сильным карбидо-образующим элементом. Он повышает прочность стали, но снижает ее пластич­ность. В сочетании с другими элементами молибден обеспечивает существенное

по

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

улучшение механических характеристик стали. Наиболее эффективное влияние молибдена на механические характери­стики проявляется при его совместном введении с никелем и другими элемента­ми, особенно если изделия подвергаются термообработке.

Высокий уровень прочностных свойств порошковых сталей наблюдается при ле­гировании никелем и молибденом. Так, стали, содержащие 1 ... 3 % никеля, 0,25 ...

1 % молибдена, 0,4 ... 0,8 % углерода, имеющие незначительную остаточную пористость до термообработки, обладают следующим комплексом механических характеристик: а„ = 600 МПа, 5 = 10 %, КС = 150 кДж/м², а после закалки приобретают а_в = 1200 МПа, 5 = 5%, КС = 120кДж/м\

Введение хрома в порошковую смесь положительно влияет на структуру изде­лия. Совместное легирование хромом и никелем, хромом и молибденом позволяет изготавливать изделия с однородной структурой, ударная вязкость которых КС превышает 600 кДж/м².

Ограниченное применение марганца в качестве легирующего элемента в порош­ковой металлургии связано с большой трудностью восстановления его из окси­дов. Спекание содержащих марганец по­рошковых композиций требуется прово­дить при температурах 1200 ... 1300 °С. Совместное легирование марганцем и хромом существенно изменяет механиче­ские характеристики детали. Сталь, со­держащая 0,6 % углерода, 2 % марганца и

2 % хрома, имеет а_в = 780 МПа, 5 = 12 %, КС = 700 кДж/м².

Для обозначения марок порошковых сталей разработана система, в которой использованы принципы действующей маркировки сталей, производимых тради­ционными методами. В то же время вве­дены обозначения, характерные только для порошковых сталей (метод производ­ства изделий и их плотность).

Марку порошковой стали характери­зуют буквенные индексы и цифры. Первая буква "С" указывает на класс материала (сталь), вторая буква "П" - на метод про­изводства (порошковая). После буквы "П" записывается среднее содержание углеро­да в сотых долях процента. Как и в случае сталей, производимых традиционными методами, легирующим элементам при­своены символы. Наиболее часто в каче­стве легирующих элементов в порошко­вых сталях используются следующие: Г -марганец, Д - медь, М - молибден, Н -никель, П - фосфор, X - хром, Гр - фа-фит. Символы легирующих элементов следуют за цифрой, указывающей среднее содержание углерода. Цифры, идущие за символом элементов, указывают пример­ное содержание данного легирующего элемента. При содержании его менее 1 % цифра отсутствует. Цифра после дефиса характеризует группу плотности. Порошко­вым сталям присвоены следующие группы плотности: 1 - пористость 25 ... 16 % (плот­ность 5,9 ... 6,6 г/см²), 2 - пористость 15 ... 10 % (плотность 6,7 ... 7,1 г/см²), 3 - порис­тость 9 ... 2 % (плотность 7,15 ... 7,70 г/см²), 4 - пористость менее 2 % (плотность бо­лее 7,70 г/см²). Буква "А" после цифры указывает на повышенное качество мате­риала.

При производстве порошковых изде­лий используются все известные методы термической обработки. В то же время термическая обработка порошковых изде­лий имеет особенности, обусловленные наличием пористости и в некоторых слу­чаях неравновесностью структурного со­стояния. Твердость закаленных с опти­мальных температур деталей из порошко­вых сталей всегда ниже, чем деталей из проката аналогичного состава. Так, твер­дость закаленных деталей эвтектоидной стали марки СП80-2 пористостью 13 % составляет 48 ... 52 HRC, в то время как у деталей из проката 61 ... 63 HRC. Особен­но заметно влияние пористости проявля­ется при закалке в масло. Поэтому масло как закалочная среда рекомендуется толь-

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

111

ко при производстве деталей из легиро­ванных сталей с низкой критической ско­ростью закалки.

Нагрев под закалку пористых деталей рекомендуется проводить в защитной от окисления среде. Температура нагрева под закалку для порошковых углеродистых сталей превышает критическую точку А₃ на 50 ... 80 °С. В качестве закалочной сре­ды применяют воду или водные растворы солей. Температура нагрева под закалку для низколегированных сталей превышает критическую точку А₃ на 60 ... 80 °С. В качестве закалочной среды обычно применяют воду, водные растворы солей и щелочей.

Порошковые стали более чувствитель­ны к термическим напряжениям, чем ли­тые. В результате этого закалка в воде может привести к образованию трещин, поэтому приходится применять меры пре­досторожности. При закалке в воде появ­ления закалочных трещин можно избе­жать путем изоляции потенциальных кон­центраторов напряжений, например, мест резкого изменения сечения, от непосред­ственного контакта с закалочной средой с помощью асбеста, глины, слюды или дру­гих керамических материалов.

Зависимость механических свойств за­каленных порошковых сталей от темпера­туры отпуска подчиняется тем же законо­мерностям, что и для деталей, изготовлен­ных из проката. Однако отметим, что для порошковых сталей, легированных медью, требуется повышение температур отпуска.

В последнее время применяется тер­мическая обработка порошковых сталей с использованием индукционного нагрева. Это объясняется как высокой производи­тельностью этого процесса, так и возмож­ностью проведения термической обработ­ки без применения защитных сред.

В целях получения более однородных по составу и структуре изделий из механи­ческих смесей порошковых компонентов рекомендуется перед формованием подвер­гать смесь отжигу при 800 ... 850 °С. Такая

термообработка обеспечивает изготовле­ние изделий с повышенными механиче­скими характеристиками.

Следует отметить, что при пористости порядка 15 % легирование углеродом, ни­келем, медью, хромом и фосфором не по­зволяет получать порошковые стали высо­ких прочности и пластичности. Ввиду это­го при получении порошковых сталей с заданным уровнем механических свойств в первую очередь необходимо обеспечи­вать высокие значения плотности.

В автотракторном и сельскохозяйст­венном машиностроении, электронной и других отраслях промышленности широко применяются полые осесимметричные де­тали: стаканы, втулки, кольца. Перспек­тивным путем улучшения качества дета­лей указанного типа, повышения произво­дительности труда и сокращения потерь металла является производство их из по­рошков на железной основе.

Из большого разнообразия процессов изготовления порошковых деталей наи­большей интенсификации производства позволяют достичь холодное выдавлива­ние деталей из спеченных порошковых заготовок и холодное формование порош­ка в закрытой матрице с последующим спеканием.

2. ХОЛОДНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЕЧЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК

Холодное выдавливание деталей из спеченных порошковых заготовок состоит в том, что сначала приготавливают по­рошковую шихту, в состав которой входят железный порошок, порошок пластифика­тора (стеарата цинка), предназначенный для снижения трения между отдельными частицами, а также, возможно, порошки легирующих элементов, в качестве кото­рых чаще всего применяются порошки никеля, молибдена, меди и графита. Из порошковой шихты в закрытом штампе формуют заготовку простейшей формы, например, цилиндрической.

112

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Способ получения железного порошка оказывает влияние на качество изделий, но это влияние может быть компенсиро­вано выбором схемы уплотнения при формовании порошковой заготовки. При уплотнении по схеме одностороннего или двухстороннего формования в закрытой матрице частицы незначительно переме­щаются относительно друг друга в ради­альном направлении. Происходит лишь осадка частиц с заполнением пустот, обра­зованных при засыпке. При этом в местах взаимного контакта частиц возникают в основном нормальные напряжения, а доля касательных напряжений незначительна. Поэтому оксидная пленка на поверхности частиц не разрушается, а формоизменяет-ся с материалом частиц. В результате час­тицы порошка даже при высокой плотно­сти образца разделены хрупкой оксидной пленкой в виде пространственной сетки, по которой происходит разрушение об­разца. Затем заготовку спекают в восста­новительной атмосфере, например, в во­дороде или диссоциированном аммиаке, или в атмосфере, не допускающей окисле­ния, например, в аргоне или азоте.

Спекание производят при высокой температуре, не достигающей, однако, температуры плавления основного компо­нента смеси. Спекание чистых металлов производится в большинстве случаев при температуре около 0,67 ... 0,8 их абсолют­ной температуры плавления (Г™), сплавов -в ряде случаев при температурах несколь­ко выше точки плавления самого легко­плавкого (связующего) металла или его эвтектики с основным тугоплавким метал­лом. Для спекания используют как камер­ные, так и проходные печи. Для спекания при температурах до 1050 ... 1100 °С при­меняют электрические печи сопротивления, до 1200 °С - газовые печи, до 1300 °С -электрические печи с силитовыми нагре­вательными элементами сопротивления.

Спекание сопровождается, как прави­ло, увеличением поверхности контакта между частицами и соответствующим

ростом прочности, а также изменениями плотности (обычно ее увеличением, реже уменьшением). При спекании заготовки остаточная пористость изменяется незна­чительно. Так, например, увеличение вре­мени спекания от 1 до 3 ч заготовок из же­лезного порошка ПЖВ4.160.28 в среде во­дорода при температуре 1200 °С понизило остаточную пористость примерно на 3 %.

Процессы рекристаллизации при спе­кании порошковых металлов протекают при более высоких температурах (обычно 0,6 ... 0,8 % Г™), чем при термической об­работке деформированных компактных металлов (обычно 0,4 Гщ,).

Температура спекания зависит от тре­бований, предъявляемых к спеченному материалу, и от характеристики исходных порошков. Чем они мельче, тем больше внешняя и внутренняя (в связи с пористо­стью) поверхность их частиц, тем ниже требуемая температура спекания. Повы­шение температуры существенно увели­чивает скорость спекания и, как правило, оказывается выгоднее увеличения его длительности. Скорость уплотнения при спекании обычно в довольно значитель­ных интервалах времени обратно пропор­циональна длительности спекания.

При спекании происходят сложные процессы. Частички металла в местах кон­такта между собой могут расплавляться, проникать друг в друга. Образуется плот­ная масса, свойства которой зависят от исходных металлов и от того, как проис­ходили уплотнение и нагрев. С увеличе­нием температуры спекания Т и давления р время процесса т уменьшается, как это описано Б. Д. Копысским (рис. 3.48). Иде­альный процесс имеет место, когда по­верхность частиц свободна от оболочки. Реальные частицы всегда имеют на по­верхности инородные пленки оксидов, препятствующие диффузии. Для устране­ния пленок при спекании используют ва­куум или восстановительную среду.

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

113

_{ОО '}

Рис. 3.48. Схема объединения структурных элементов порошковой заготовки при уплотнении и спекании в условиях чистой поверхности:

а, б, в, г, - сближение, соприкосновение, начало объединения и полное объединение элементов, д - сфероиди-зация и собирательная рекристаллизация

После спекания заготовка представляет собой твердое тело, имеющее остаточную пористость. Эта заготовка подвергается последующей холодной штамповке вы­давливанием, как и обычная, отрезанная от прутка цилиндрическая заготовка. По­сле выдавливания деталь подвергается отжигу в защитной атмосфере с целью снятия остаточных напряжений.

Однако, холодное выдавливание спе­ченных заготовок из железного порошка, легированного упрочняющими добавками, практически не применяется из-за боль­ших удельных сил, необходимых для формоизменения заготовки и, как следст­вие, неудовлетворительной стойкости штампового инструмента.

3. ВЫДАВЛИВАНИЕ С АКТИВНЫМИ СИЛАМИ ТРЕНИЯ

Преимущество выдавливания с актив­ными силами трения заключается в сни­жении величин удельных сил, действую­щих на штамповый инструмент. Снижение удельных сил позволяет повысить стой­кость инструмента и расширить примене­ние технологии на область производства деталей из легированных порошковых материалов. Удельная сила (т.е. сила, раз-

виваемая прессом, деленная на площадь перпендикулярного направлению переме­щения сечения деформирующего заготов­ку инструмента) при холодном выдавли­вании спеченных заготовок достигает 2500 МПа. Современные штамповые стали Р9, Р18, Х12Ф при таких удельных силах не обеспечивают стойкости, при которой процесс холодной штамповки является конкурентоспособным по сравнению с другими процессами производства маши­ностроительных деталей. Кроме того, раз­рушение пуансона при холодной объемной штамповке всегда сопряжено с опасностью поражения работающего осколками.

Для снижения удельной силы необхо­димо проводить выдавливание в штампах, рабочие элементы которых перемещаются относительно друг друга таким образом, чтобы силы трения на поверхности кон­такта пластически деформируемого мате­риала заготовки с этими элементами инст­румента становились направленными в сторону течения материала и способство­вали этому течению. Такие силы трения названы активными силами контактного трения. Кроме снижения удельной де­формирующей силы выдавливание с ак­тивными силами контактного трения по­зволяет улучшить качество изготавливае­мой детали.

114

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

_pwpf

*

_0^0

Рис. 3.49. Пресс для выдавливания с активными силами трения

На рис. 3.49 показан пресс, в котором выдавливающий пуансон перемещается плунжером 1. При выдавливании по тра­диционной схеме силы контактного тре­ния на границе заготовки с матрицей пре­пятствуют течению материала заготовки. Однако, если матрицу, установленную в траверсе 2, с помощью гидроцилиндров 3 перемещать в направлении течения мате­риала со скоростью, превышающей ско­рость течения, силы трения на границе заготовки с матрицей будут способство­вать течению и разгрузят пуансоны.

Исходная спеченная заготовка из же­лезного порошка всегда имеет пористость. Рассмотрим выдавливание детали типа стакана из спеченной порошковой заго­товки в обычных штампах при реактивном действии контактного трения по матрице.

Рис. 3.50. Формоизменение спеченной порош­ковой заготовки на начальной стадии выдавли­вания стакана

Когда пуансон только начинает вдав­ливаться в цилиндрическую исходную заготовку, чтобы образовать в ней по­лость, заготовка из-за контактного трения не может переместиться в направлении движения пуансона. Если бы силы трения не препятствовали такому перемещению заготовки ее высота и, соответственно пористость уменьшились бы под действи­ем пуансона. Однако, поскольку силы трения препятствуют такому перемеще­нию, заготовка сохраняет имевшуюся у нее пористость, и выдавленный стакан имеет пористую стенку.

Для уменьшения пористости стенки при выдавливании на прессе, показанном на рис. 3.49, матрицу вначале принуди­тельно перемещают в том же направле­нии, в каком движется формирующий по­лость пуансон (т.е. вверх), создавая сила­ми трения дополнительное препятствие течению материала в стенку стакана, и только после того, как будет исключена пористость заготовки, матрицу направля­ют в сторону течения материала в стенку стакана, разгружая пуансон при деформи­ровании заготовки. При этом формоизме­нение заготовки происходит поэтапно (рис. 3.50). В результате получают деталь с высокой равномерной плотностью (рис. 3.50 и 3.51). На рис. 3.52 изображен пресс для получения таких деталей.

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

115

1?

Рис. 3.51. Стаканы изготовленные холодным выдавливанием из спеченных порошковых заготовок (ПЖВ2.160.28)

Рис. 3.52. Гидравлический пресс силой 2 МН для выдавливания с активными силами трения

При выдавливании с активными сила­ми трения выбор смазки влияет как на си­лу выдавливания, так и на качество дета­ли. К примеру, обезжиривание поверхно­сти инструмента усиливает эффект актив-

ных сил контактного трения, но качество

детали при этом неприемлемо. При недос­таточной смазке происходит схватывание между материалами заготовки и инстру­мента, и производственный процесс при­ходится останавливать для разборки и очистки инструмента, а изготовленная де­таль имеет поверхность низкого качества.

Использование активных сил трения при холодном выдавливании спеченных порошковых заготовок позволяет умень­шить удельную силу на пуансоне на 7 ... 13 %. При таком снижении удельной силы стойкость пуансонов увеличивается в 1,5 ... 2 раза. Благодаря этому становится возможным холодное выдавливание спе­ченных заготовок из железного порошка с добавлением графита. Например, при до­бавке 0,5 % графита удельная сила на пу­ансоне при выдавливании стаканов с на­ружным диаметром 30 мм и диаметром полости 22 мм не привысила 2400 МПа.

Создание и использование активных сил контактного трения при выдавливании спеченных порошковых заготовок могут быть осуществлены не только на специа­лизированных прессах, но и при выдавли­вании в так называемой плавающей мат­рице, которая под действием сил трения имеет возможность перемещаться в осе­вом направлении. При обратном выдавли­вании в плавающей матрице в начале про­цесса (рис. 3.53, а) уплотнение и осадка заготовки происходят более интенсивно, чем образование трубной части детали. Пока заготовка не уплотнена, удельная сила на пуансоне сравнительно неболь­шая. На этой стадии целесообразно пре­пятствовать истечению. Это осуществля­ется силами трения между формирующей­ся трубной частью стакана и матрицей, которая перемещается в направлении, противоположном течению материала в трубную часть стакана. Матрица под дей­ствием сил трения перемещается в на­правлении движения пуансона. Силы тре­ния препятствуют вытеканию материала в зазор между пуансоном и матрицей и спо­собствуют повышению плотности детали.

116

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.53. Схема операции обратного выдавли­вания стакана из спеченной порошковой заго­товки в плавающей матрице: а - осадка пористой заготовки; б - выдавливание полости; v_Mr - скорость перемещения частиц заго­товки; v„ - скорость перемещения матрицы; v„ -скорость скольжения матрицы по заготовке; /_а - ак­тивные силы контактного трения

Рис. 3.54. Схема штампа для обратного выдав­ливания в плавающей матрице

При последующем выдавливании (рис. 3.53, б), когда уплотнение заготовки достигнуто и удельная сила выдавливания возросла, силы трения на поверхности сформировавшейся трубной части детали способствуют перемещению матрицы в сторону истечения материала, созданию в этом направлении активных сил трения по

поверхности цилиндрической части заго­товки и снижению деформирующей силы. После завершения уплотнения заготовки и стабилизации формирования трубной час­ти детали матрица перемещается под дей­ствием сил контактного трения навстречу пуансону с возрастающей по мере выдав­ливания скоростью. На заключительном этапе выдавливания (рис. 3.53, б) скорость матрицы равна скорости истечения мате­риала в зазор между пуансоном и матрицей. Описанная операция выдавливания в плавающей матрице менее эффективна, чем выдавливание на специализированном прессе, но в ряде случаев позволяет дос­тичь требуемой плотности изготавливае­мой детали при удовлетворительной стой­кости инструмента. Преимущество выдав­ливания в плавающей матрице состоит в применении штампов для выдавливания традиционных конструкций и универсаль­ного прессового оборудования. Требуется лишь незначительная доработка штампа, заключающаяся в том, что матрице пре­доставляют возможность осевого переме­щения в некоторых пределах. Схема штампа показана на рис. 3.54. На верхней плите 1 в обойме 2 установлен пуансон 3. В средней плите 7, свободно перемещаю­щейся по направляющим колонкам 8, ус­тановлена двухбандажная матрица 9, опи­рающаяся через тарельчатые пружины 11 на нижнюю плиту 10. Выталкивание дета­ли осуществляется размещенным в ниж­ней плите в опорной прокладке выталки­вателем. Для ограничения хода матрицы вверх при выталкивании предназначены шпильки 5, на которые навинчены огра­ничительные гайки б. Для съема детали с пуансона служит втулка 4, закрепляемая при повороте в пазах матрицы. Штамп показан на рис. 3.55. Такая конструкция штампа обеспечивает свободное переме­щение матрицы вслед за движением мате­риала заготовки как на стадии уплотнения, так и на стадии истечения материала в стенку изделия.

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

117

Рис. 3.55. Штамп для выдавливания на универ­сальных грессах

Рис. 3.56. Схема штампа для обратного выдав­ливания в плавающей матрице

Другой вариант конструкции штампа для выдавливания стаканов из спеченных пористых заготовок в плавающей матрице приведен на рис. 3.56. Штамп предназна­чен для работы на универсальном криво­шипном прессе. На верхней плите 1 в обойме 2 установлен пуансон 3. В нижней

Рис. 3.57. Штамп для холодного выдавливания стаканов из спеченных порошковых заготовок

части штампа в средней плите б размеще­на обойма 5 с матрицей 4, опирающейся через прокладку 7 на нижнюю плиту 8. Верхняя и нижняя части штампа связаны тремя направляющими колонками. Мат­рица свободно перемещается в процессе выдавливания в осевом направлении внутри обоймы 5. Выталкивание деталей осуществляется выталкивателем 9, разме­щенным на траверсе 10. Подъем траверсы при возвратном ходе пресса производится тягами 11, установленными внутри двух направляющих колонок 12. Для съема де­тали с пуансона предусмотрен консоль­ный съемник 13. Фотография этого штам­па показана рис. 3.57.

Масса пресса, приведенного на рис. 3.52, составляет 2 т (без привода). Од­нако, создавая специализированные прессы, можно достичь их габаритных размеров и массы, не превышающих таковых у штам­пов. При этом отпадает необходимость в установке их на универсальные крупногаба­ритные прессы. На рис. 3.58 показана конст­рукция пресса массой 350 кг, имеющего силу 1 МН. В прессе шток вспомогательного гидроцилиндра 4 является одновременно штоком главного гидроцилиндра 2 и порш­нем 3, а гильза вспомогательного гидроци-

118

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

W//////

>?/////Л\ \'////Ж^

Рис. 3.58. Схема малогабаритного пресса

линдра является дополнительным плунже­ром главного гидроцилиндра. При подаче рабочей жидкости в нижнюю полость глав­ного гидроцилиндра пуансон б, установ­ленный на поршне 5 вспомогательного гид­роцилиндра, деформирует заготовку отно­сительно неподвижного пуансона 8, закреп­ленного на верхней поперечине станины У. По мере уменьшения объема верхней по­лости главного гидроцилиндра из него вы­тесняется гильза вспомогательного гидро­цилиндра, перемещая матрицу 7. Скорость движения матрицы регулируется путем до­полнительной подачи жидкости в верхнюю полость главного гидроцилиндра от гидро­привода или путем ее выпуска через дрос­сель из этой полости. Жидкость из нижней полости вспомогательного гидроцилиндра сливается через осевое отверстие в общем штоке гидроцилиндров.

Включение в технологический процесс выдавливания операции поперечной про­катки спеченной заготовки повышает ка­чество изделия, поскольку при выдавли­вании прокатанной заготовки последняя имеет беспористую поверхность, способ­ную выдержать растягивающие напряже­ния небольшой величины. В результате предотвращаются возможные поперечные поверхностные трещины.

4. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК

Поскольку возможность легирования железного порошка перед спеканием заго­товки в рассматриваемом технологиче­ском процессе весьма ограниченна, ис­пользуют насыщение уже спеченной заго­товки графитом. Для этого на заготовку перед выдавливанием наносят графитосо-держащее покрытие. Для создания покры­тия порошок фафита смешивают в равных долях с порошком стеарата цинка. При последующем выдавливании материал покрытия заполняет поры в поверхност­ном слое заготовки, а при последующей термообработке выдавленной детали дос­тигаются науглероживание материала ос­новы и повышение механических характе­ристик детали.

Нанесение на заготовку покрытия осуществляется помещением заготовки в матрицу, имеющую больший диаметр D, чем заготовка d₀ (рис. 3.59). В свободное пространство в матрице вокруг заготовки

Рис. 3.59. Схема нанесения на заготовку графи­тового покрытия

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

119

Рис. 3.60. Заготовка с нанесенным графитовым покрытием

засыпается смесь порошка графита с по­рошком стеарата цинка. После засыпки заготовка и окружающий ее порошок пу­ансоном проталкиваются в участок матри­цы, имеющий диаметр d, равный диаметру заготовки с покрытием. При проталкива­нии под действием давления смесь по­рошка графита с порошком стеарата цинка превращается в компактную оболочку, прочно удерживающуюся на поверхности спеченной заготовки (рис. 3.60).

Выдавливание деталей из заготовок в оболочке проводится так же, как из обыч­ных. Заготовка в оболочке укладывается в матрицу, и пуансон производит выдавли­вание боковых стенок стакана. При этом давление материала на стенку матрицы составляет 1000 ... 1500 МПа. При таком давлении материал оболочки вдавливается в поры на поверхности заготовки.

Кроме насыщения поверхностного слоя пористой спеченной железной заго­товки графитом выдавливание заготовок в графитовой оболочке позволяет сущест­венно уменьшить удельную силу на вы­давливающем пуансоне. При этом матри­цу целесообразно подогревать. Например, повышение температуры нагрева матрицы до 280 °С при выдавливании заготовок в

графитовой оболочке при одновременном снижении плотности заготовки до 85 % уменьшает силу выдавливания более чем на 23 %.

Поскольку при выдавливании деталей из заготовок в оболочке требуется мень­шая удельная сила на пуансоне, чем при традиционном выдавливании, могут быть применены и обычные штампы, установ­ленные на универсальные прессы, в кото­рых выдавливание проводится без актив­ных сил контактного трения. При этом может быть осуществлено выдавливание предварительно легированных спеченных заготовок. Так, например, выдавливается спеченная заготовка из порошка, легирован­ного предварительно (до формования и спе­кания заготовки) 2 % Ni, 1 % Mo, 2 % Си. После формования и спекания заготовки на нее наносится графитосодержащее по­крытие, которое в процессе выдавливания снижает удельную силу на пуансоне и позволяет осуществить выдавливание при допустимой удельной силе, при этом так­же происходит заполнение углеродом пор в поверхностном слое заготовки. При по­следующем отжиге заготовки углерод из пор поверхностного слоя вступает в хими­ческую реакцию с материалом изделия. В результате улучшаются служебные свойства изделия, такие как, например, стойкость. Поскольку поверхностный слой изделия легирован углеродом, при его охлаждении в процессе термообработки может быть осуществлена закалка.

5. ХОЛОДНОЕ ФОРМОВАНИЕ ВЫСОКОПЛОТНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ С ПОСЛЕДУЮЩИМ СПЕКАНИЕМ

Холодное формование порошка в за­крытой матрице с последующим спекани­ем состоит в том, что из приготовленной порошковой шихты в закрытой матрице формуют деталь сразу требуемой формы, которую затем подвергают спеканию в защитной атмосфере и, возможно, закалке.

120

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Этот способ в отличие от выдавливания с активными силами трения имеет примене­ние при производстве деталей из порош­ковых сталей. Его преимуществом являет­ся практически неограниченная возмож­ность легирования железного порошка порошками других металлов. Поскольку операция спекания следует после опера­ции, выполняемой в штампе, легирование практически не влияет на величину удель­ной силы штамповки.

При формовании деталей непосредст­венно из легированного железного порош­ка с последующим спеканием необходимы меньшие удельные силы, чем при выдав­ливании спеченных порошковых загото­вок. Однако при достижении относитель­ной плотности, равной 83 ... 88 % от плот­ности компактного материала, в заготовке образуются расслойные трещины. Такие трещины не "залечиваются" при дальней­шем деформировании. Невысокая плот­ность деталей не позволяет использовать преимущества легирования.

Для получения высокоплотных деталей непосредственно из порошковой шихты необходимо осуществлять деформирова­ние в условиях, при которых в заготовке происходят интенсивные сдвиги между частицами. Наиболее надежно чистую поверхность частиц можно получить при их сближении благодаря растяжению по­верхности контакта. Хрупкие пленки при растяжении поверхности частиц лопаются, и в трещины выходят свежие неокислен-ные объемы металла, которые и участвуют в диффузии.

Достигается это при совмещении уп­лотнения давлением всестороннего сжатия со сдвигом частиц относительно друг дру­га. Похожие процессы происходят при полировании поверхностей деталей. Такая обработка включает в себя химическое воздействие применяемых реагентов. Обя­зательным условием такого воздействия должно быть возникновение растягиваю­щих и касательных напряжений в поверх­ностных слоях, способствующих разви-

тию слабых мест и микрощелей в обраба­тываемом теле. При проведении химико-механической обработки используют по­низители твердости - вещества, облег­чающие деформирование твердых тел. Понизители твердости адсорбируются на поверхности твердых тел, этим, очевидно, вызывается понижение пределов упруго­сти, текучести и прочности. Добавками, понижающими твердость, могут служить поваренная соль, хлористые соли кальция, магния, алюминия, а также известь, едкий натр, сода, фосфаты, силикаты натрия, органические поверхностно-активные ве­щества.

При формовании порошков с интен­сивными сдвигами между частицами уве­личивается процент обновленной, свобод­ной от оксидных пленок поверхности час­тиц. Лучше заполняются поры между час­тицами, улучшаются условия для проте­кания диффузионных процессов при спе­кании.

Для формования порошковой детали со сдвигом частиц относительно друг друга применяют штампы, конструкция которых схематично представлена на рис. 3.61. В этих штампах деталь 2 формуют в мат­рице /. Пуансон 3 совершает винтовое движение: перемещается поступательно и одновременно поворачивается благодаря наличию в его приводе пары винт 5 - гай­ка 4 с резьбой, имеющей такой шаг, кото­рый обеспечивает отсутствие заклинива­ния при осевой нагрузке. С помощью это­го штампа можно осуществлять различ­ные соотношения поступательного и вра­щательного движений пуансона 3, имея лишь одну пару винт - гайка с неизмен­ным шагом резьбы. Это достигается выбо­ром жесткости К упругого элемента б ме­жду верхним торцом винта 5 и плитой 7, которой штамп соединен с ползуном прес­са. При высокой жесткости пуансон будет совершать только поступательное движе­ние, а при нулевой жесткости - в основ­ном вращательное.

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

121

Рис. 3.61. Штамп для формования порошковой детали со сдвигом частиц

Г, г/см³

_7i0_— ^:=s^

6,9 —^>z— ~₂

6,8 ^^^

6,7 -^

6,6 ^~

5,51 1 1 1 1

0,04 0,08 0,12 0,16 К, МН/мм

Рис. 3.62. Зависимости плотности изготавли­ваемых деталей от жесткости К упругого эле­мента штампа, показанного на рис. 3.61: / - порошок ULTRAPAC-LE; 2 - порошок Н4МД1,5 + 0,5%С

В описанном штампе исследована дости­гаемая плотность порошковых сталей с при­мерно одинаковым химическим составом, по­лученных из порошков двух видов: частично-легированного порошка ULTRAPAC-LE фир­мы Mannesmann Demag и гомогенно-легиро­ванного порошка Н4МД1,5, полученного рас­пылением водой высокого давления на опытно-промышленной установке НПО "Тулачермет". Измеряли плотность формованных из этих

материалов колец, а также твердость колец после спекания. Спекание проводили в среде водорода при температуре 1150 °С в течение 1 ч. Кроме способа легирования порошковой стали в эксперименте варьировали жесткость упруго­го элемента штампа, шероховатость торца пу­ансона и количество стеарата цинка в порош­ковой смеси.

Были получены уравнения регрессии, по которым при заданных значениях шероховато­сти торца пуансона Ra = 2,5 мкм, удельной силе на пуансоне 480 МПа, 1 %-ном содержа­нии стеарата цинка для двух рассмотренных порошков были построены зависимости плот­ности у деталей от жесткости К упругого эле­мента штампа (рис. 3.62). Видно, насколько существенно плотность колец у зависит от примененного порошка.

В то же время рациональный выбор схемы деформирования позволяет изготовлять детали с одинаковой плотностью из обоих рассмот­ренных порошков (в частности, детали плотно­стью 7 г/см³), но только при различных соот­ношениях поступательного и вращательного движений пуансона. Для описанного штампа такая плотность достигается при исполь­зовании упругого элемента с жесткостью 0,17 МН/мм для 1-го порошка и упругого эле­мента с жесткостью 0,04 МН/мм для 2-го по­рошка. В формованной таким образом детали частицы имеют плоскую форму с большими поверхностями контакта между собой в на­правлении, перпендикулярном к направлению движения пуансона. При этом окончательная форма частиц мало зависит от способа получе­ния металлического порошка. Поверхность контакта между частицами свободна от оксид­ных пленок. Поэтому последующие процессы спекания проводятся при пониженных темпе­ратурах и за более короткое время, чем в тра­диционных процессах порошковой металлур­гии. Достигается большая экономия электро­энергии, и повышается прочность изделий.

В результате проведенных исследований построена диаграмма (рис. 3.63) нормальных а„ и касательных т„ напряжений на торцовой поверхности заготовки, позволяющих достичь заданной плотности детали из порошка ПЖВ2.160.28. На диаграмме показаны также предельно допустимые величины касательных напряжений т„ в зависимости от коэффициента контактного трения \х. При достижении такой предельной величины касательного напряже­ния начинается проскальзывание пуансона по

122

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

о_п, МП а

1100-

1000-

0 50 100 150 200 250 300 _ НПй

¹П

Рис. 3.63. Диаграмма нормальных а_п и каса­тельных т_п напряжений на торцовой поверхно­сти заготовки, позволяющих достичь заданной плотности детали: / - плотность 7,1 г/см³; 2 - плотность 7,3 г/см³

поверхности заготовки. Из диаграммы следует, что целесообразно увеличивать шероховатость торца пуансона.

Формование высокоплотных деталей со сдвигом частиц может проводиться на прессах для выдавливания с активными силами кон­тактного трения, схема которых представлена на рис. 3.49.

Формование осевым сжатием с одновре­менным созданием в заготовке сдвигов слоев материала осуществляется по схеме, приведен­ной на рис. 3.64. На первом этапе (рис. 3.64, а) осуществляется уплотнение порошка движени­ем пуансона со скоростью v_n с одновременной раздачей заготовки путем перемещения матри­цы, имеющей ступенчатую рабочую полость, навстречу пуансону со скоростью v_M. При раз­даче создаются сдвиги слоев материала заго­товки. На втором этапе (рис. 3.64, б) осуществ­ляется обжим брикета по боковой поверхности перемещением матрицы со скоростью v_M при воздействии силой Р„ со стороны верхнего пуансона. При этом создаются дополнительные сдвиги слоев материала заготовки. При формо­вании по таким схемам достигается средняя плотность формованных деталей 90 % и выше.

Для определения уплотняемости железных порошков при формовании с применением схем нагружения, реализующих существенные сдвиги в заготовке, нами исследованы зависи­мости плотности образцов от марки железного порошка, а также от процентного содержания пластификатора (стеарата цинка), схемы и удельной силы формования. Изделия формова-

ли по двум схемам, предусматривающим сдви­ги в образце в меньшей и большей степенях.

Первая схема деформирования включала формование брикета с одновременной его раз­дачей при перемещении из верхней цилиндри­ческой полости матрицы диаметром 32 мм в нижнюю цилиндрическую полость диаметром 36 мм, вторая - те же операции, что и первая, а затем обжатие брикета по боковой поверхности с диаметра 36 до 32 мм (рис. 3.64, б).

Давление на торце нижнего пуансона фик­сировалось в конце формования (по второй схеме перед началом обжатия). В эксперименте давления задавали равными 300, 420 МПа (фактор Х₂). В шихту добавляли 0,5 и 1 % стеа­рата цинка (фактор Х_А). Использовали отечест­венные железные порошки ПЖВ2.160.28, и ПЖВ4.160.28, полученные методом восстанов­ления, и порошки ПЖРВ2.200.26 и ПЖРВЗ.200.26, полученные распылением во­дой, а также порошок WPL-200 (Mannesmann Demag) и порошок ULTRAPAC-LE (Mannes­mann Demag). В проведенном исследовании порошкам (фактор Х{) присвоены следующие условные значения уровней: ПЖВ2.160.28 - 0, ПЖРВ2.200.26 - 1, ПЖРВЗ.200.26 - 2, ПЖВ4.160.28 - 3, WPL-200 - 4, ULTRAPAC-LE - 5. Механическим схемам деформирования (фак­тор Х$) присвоены условные значения: схема с движениями, показанными на рис. 3.64, а, за­тем на рис. 3.64, 6,-1, схема с движениями, показанными на рис. 3.64, а, - 0.

Рис. 3.64. Схема формования с созданием в заготовке сдвигов слоев материала: а - осевое сжатие с одновременной раздачей на пер­вом этапе; б - осевое сжатие с одновременным об­жимом на втором этапе

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

123

Формованные детали спекали в среде водо­рода при температуре 1150 °С в течение 1 ч. Было получено следующее уравнение регрес­сии для плотности, г/см³:

у = 4,7 - 2,38*, + 0,003 Щ +1,66*2 + + 0,3684Y₂ + 3,95 А-,² - 2,303 Х,³ +

+ 0,5447 Д-,⁴ - 0,04455 Af. (3.1)

Проведенное исследование показало, что при одинаковых силах формования и режимах спекания наибольшей уплотняемостью облада­ет порошок ULTRAPAC-LE, относительная плотность образцов из которого выше относи­тельной плотности образцов из порошков WPL-200 и ПЖВ2.160.28, плотность последних соответственно на 6 ... 7 и 2 ... 3 % выше плот­ности образцов из распыленных порошков ПЖРВ2.200.26 и ПЖРВЗ .200.26. Наименьшей плотностью обладают образцы из порошка ПЖВ4.160.28.

Формула (3.1) позволяет провести пересчет результатов различных описанных в литерату­ре исследований по определению плотности порошковых деталей, изготовленных формова­нием и спеканием, на другие марки железных порошков.

Независимо от порошка проведение фор­мования по схемам, обеспечивающим значи­тельные сдвиги частиц в заготовке, позволяет повысить плотность деталей на 1 г/см³, т.е. примерно на 15 %. Следовательно, различие в плотностях деталей может быть практически полностью компенсировано рациональным выбором механической схемы формования порошковой детали.

Для оценки возможности применения фор­мулы (3.1), полученной при формовании дета­лей непосредственно из железных порошков, для пересчета удельной силы холодного вы­давливания спеченной заготовки на другую марку железного порошка было проведено исследование влияния материала спеченного образца, его плотности, диаметра пуансона, направления сил контактного трения и типа смазочного материала на удельную силу при выдавливании деталей типа стаканов. Сравне­ние результатов этого исследования с расчета­ми по формуле (3.1) показывает, что изменение удельной деформирующей силы при измене­нии марки порошка в случае штамповки спе­ченных заготовок уменьшается примерно в 2 раза по сравнению с изменением, описывае­мым формулой (3.1). Это объясняется тем, что

а) 6)

Рис. 3.65. Схема формования стаканов с интен­сивными сдвигами в заготовке

при спекании заготовки происходит сращива­ние зерен порошка, и влияние марки порошка, характеризующей его химический состав (при­меси), дисперсность, уменьшается.

При формовании стаканов интенсив­ные сдвиги по границам зерен достигают­ся при использовании схемы деформиро­вания, приведенной на рис. 3.65. Стаканы изготавливают с фланцем, который явля­ется технологическим припуском. Матри­ца имеет полость, состоящую из участков двух диаметров: диаметр одного участка равен диаметру внешней поверхности ста­кана, а диаметр другого - диаметру флан­ца стакана. На первом этапе формования матрица перемещается вниз (рис. 3.65, а), при этом засыпную полость образует уча­сток большего диаметра, и силы трения на поверхности контакта порошка с матрицей способствуют заполнению полости мат­рицы. После окончания засыпки порошка и предварительного его уплотнения верх­ним пуансоном осуществляется движение матрицы вверх (рис. 3.65, б), при этом сформованный на первом этапе стакан перемещается в участок полости матрицы меньшего диаметра. В результате проис­ходит дополнительное уплотнение стенок стакана. На донную часть заготовки по­стоянно действует сила, создаваемая верхним пуансоном.

124

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

6. ФОРМОВАНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ ВТУЛОК ИЗ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА

При формовании втулок из железного по­рошка (рис. 3.66) активные силы трения соз­даются путем перемещения оправки со скоро­стью v навстречу матрице, движущейся со ско­ростью v₀. Порошок как бы "затягивается" си­лами трения в тонкую часть стенки. В резуль­тате в этой наиболее тонкой части втулки име­ют наибольшие плотность и прочность. В этом состоит преимущество этого способа перед обычными способами формования, в которых порошок в тонкой части втулки остается неуп­лотненным. Недостаток, имеющий место при обычных способах и заключающийся в образо­вании расслоений при относительной плотно­сти 80 ... 85 %, здесь устранен созданием сдви­гов слоев в заготовке. В результате достигнута средняя относительная плотность 92 %. При вы­полнении этой технологической операции поро­шок засыпают со стороны тонкой части полости между оправкой и матрицей (рис. З.бб, а). При этом оправку опускают, открывая отверстие для засыпки. Порошок хорошо засыпается в расширяющуюся полость, равномерно запол­няя ее. Далее движением оправки вверх пере-

_ьЙ'Ы

а)

Рис. 3.66. Формование втулок с активными силами контактного трения - а; обозначения параметров, используемых в анализе формова­ния втулки - б

крывают отверстие в матрице, через которое производилась засыпка, и одновременно, ис­пользуя трение порошка об оправку, переме­щают его в направлении тонкой части стенки и уплотняют в этой области. Следующим движе­нием, опуская силой пресса матрицу навстречу неподвижному кольцевому пуансону, формуют втулку.

Поскольку прочность порошковых деталей увеличивается с увеличением их плотности и зависит от величины давления формования, разработка технологического процесса вклю­чает определение силы формования, необхо­димой для обеспечения заданной средней плотности детали. Удельную силу, действую­щую на пуансон, определяли как отношение силы формования к площади сечения пуансона. Обозначения параметров, используемых в ана­лизе формования втулки, приведены на рис. 3.66, б. Натуральные размеры, обозначенные на этом рисунке буквами с чертой сверху, в анализе отнесены к радиусу пуансона г , ско­рости деформирования отнесены к скорости перемещения матрицы v₀.

На рис. 3.67 - 3.69 приведены результаты расчета удельной силы формования в зависимо­сти от плотности, угла конусности и относитель­ной толщины стенки втулки из железного по­рошка ПЖВ2.160.28. Здесь сплошные кривые -расчет, штриховая - эксперимент.

Высота зоны / (рис. 3.66) до начала формо­вания h₀ = 20 мм. Плотность засыпки порошка Yo = 4 г/см³. При расчете приращение ходами принято равным 1,8 мм, плотность детали в процессе штамповки определяли из выра­жения

Y = Yo exp(e_v).

Для оценки прочности тонкостенных по­рошковых деталей разработан косвенный ме­тод, поскольку из тонких деталей невозможно вырезать стандартные образцы для определе­ния механических характеристик. Метод за­ключается в том, что в результате проведенно­го исследования установлена регрессионная зависимость, связывающая временное сопро­тивление детали с твердостью. В дальнейшем, измеряя твердость в исследуемых сечениях тонкостенной детали, по установленной зави­симости вычисляют временное сопротивление.

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

125

1200 800 Ш

д.мпа

6 )г-10³,кг/м³

Рис. 3.67. Удельные силы формования втулки

приР = 8°,Л= 1,6:

кривая / - ц = 0,1; 2 - ц = 0,3; 3 - ц = 0,5

1200

800

Ш 0

Ч,МПа

6 г-10³кг/м³

Рис. 3.68. Удельные силы формования втулки в закрытой матрице при ц = 0,3; R = 1,6: кривая 1 - (3 = 6°; 2 - р = 8°; 3 - р = 10°

Для установления регрессионной зависимости, связывающей твердость по Бринеллю с временным сопротивлением детали, были изготовлены формованием из порошков ПЖВ2.160.28 и ПЖВ4.160.28 диски, предна­значенные для вырезки из них стандартных образцов для испытания механических харак­теристик. Диски изготовили следующим обра­зом. Железные порошки смешали с пластифи­катором - стеаратом цинка, содержание кото-

2Ш

2000

1600

1200

R

Ч,МПа

f,6

U 1,4-

Рис. 3.69. Удельные силы формования втулки с плотностью у = 7 г/см³ при ц = 0,3: кривая / - (3 = 6°; 2 - р = 8°; 3 - р = 10°

рого варьировали от 0,5 до 1,5 %, в смесителе барабанного типа при скорости вращения 100 об/мин в течение 20 мин. Подготовленный порошок засыпали в цилиндрическую матрицу диаметром 60 мм и уплотняли давлением 600 МПа.

Изготовленные диски имели плотность в пределах 76 ... 92 % и отношение высоты к диаметру 0,24 ... 0,25. Различные плотности образцов объясняются варьированием марки порошка и содержания пластификатора. После спекания дисков в среде эндогаза при темпера­туре 1150 °С в течение 40 мин из них вырезали стандартные образцы с диаметром 6 мм для испытания механических характеристик.

После подсчета коэффициента парной кор­реляции и оценки значимости корреляционной связи между величинами а_в и НВ были рассчи­таны коэффициенты уравнения связи, которое имеет следующий вид:

(3.2)

а„ = 5,449 НВ- 192,7.

Используя зависимость (3.2) определили, что у втулок, показанных на рис. 3.70, предел проч­ности в тонкостенной части равен 268 МПа, в толстостенной - 232 МПа.

126

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.70. Тонкостенные втулки, сформирован­ные из железного порошка

7. ПОЖЕЛАНИЯ ТЕХНОЛОГА К ФОРМЕ ИЗГОТАВЛИВАЕМОЙ ДЕТАЛИ

Целесообразность изготовления детали из порошка на основе железа зависит от ее формы, требований к комплексу механи­ческих характеристик и других служебных свойств и от серийности производства. При этом мы говорим об изготовлении деталей штамповкой на прессах, посколь­ку газостаты, гидростаты, устройства для импульсной, взрывной штамповки пре­доставляют другие возможности.

В мелкосерийном производстве огра­ничений на форму детали практически нет, исходя из возможности сформовать тот или иной ее элемент. Однако стои­мость штампов, требования к квалифика­ции штамповщика, необходимость спека­ния сформованной заготовки приводят к высокой стоимости каждой единицы изго­тавливаемой детали и к нерентабельности производства ее из порошка.

Порошковая технология в нашей стра­не нашла применение в крупносерийном производстве. Одной из основных причин этого явилась экономическая целесооб­разность применения дорогостоящих ме-

тодических печей с защитной атмосферой для спекания формованных заготовок. Поэтому наши пожелания к форме дета­лей основываются на возможности обес­печения стойкости штамповой оснастки при крупносерийном производстве.

Во-первых, нежелательно наличие ка­навок на боковых поверхностях деталей, направление которых не совпадает с на­правлением движений ползунов пресса. Если такие канавки на чертеже детали имеются, то на них целесообразно назна­чить напуски.

Во-вторых, другим ограничением фор­мы детали является наличие на поверхно­стях, перпендикулярных К движению пол­зуна пресса, уступов, ширина которых J ... 3 мм. Это связано с тем, что такие уступы должны быть оформлены специ­альными пуансонами, а их ширина должна совпадать с толщинами пуансонов. При толщинах пуансонов менее 3 ... 4 мм трудно их изготовить и обеспечить их стойкость.

При производстве высоких деталей, размер которых в направлении хода пол­зуна пресса превышает их поперечные размеры, ограничение связано со специ­фикой отечественных пресс-автоматов. Пресс-автоматы отличаются от обычных прессов тем, что они снабжены специаль­ными устройствами для автоматической подачи порошковой шихты в штампы. Выпускаемые пресс-автоматы сконструи­рованы для производства на них плоских деталей, поскольку прессы короткоходо-вые, а размеры их штамповых пространств не обеспечивают требуемый для изготов­ления высоких деталей размер засыпных камер. Поэтому для производства высо­ких деталей необходимо применять пресс-автоматы с большим превышением их типоразмера по отношению к требуемым величинам деформирующей силы и мощ-

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

127

ности привода. Другим вариантом реше­ния проблемы является применение прес­сов, как правило гидравлических, имев­ших другое предназначение и переобору­дуемых в прессы для штамповки порош­ковых деталей. Переоборудование состоит в оснащении прессов устройствами для подачи порошковой шихты в штампы.

Имеют место два подхода к реализации операций формования заготовок порошко­вых деталей сложных форм, когда необ­ходимо создание комбинированного на-гружения заготовки. Первый - использо­вание существующих прессов и примене­ние штампов специальных конструкций, создающих комбинированное нагружение заготовки. Второй - создание специализи­рованных прессов, имеющих приводы ме­ханизмов, перемещающих с требуемыми силами и рабочими ходами инструменты для заданного нагружения и деформиро­вания заготовки. Первый подход реализу­ют японские фирмы Kotaki, Yoshisuka, фирма Mannesmann-Pulvermetall (ФРГ) и др. Сторонники второго похода - специа­листы фирмы Bolding Lima Hamilton (США) - считают, что максимальное чис­ло независимых движений пресса позво­ляет значительно расширить его техноло­гические возможности и упростить конст­рукцию штамповых инструментов.

Таким образом, возможности техноло­га неразрывно связаны с решением конст­рукторских задач. При успешном сочета­нии технологических и конструкторских решений ограничений на форму изготавли­ваемых деталей практически не остается.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Зачем применяют технологию, при кото­рой сначала из порошка изготавливают заго­товку простейшей формы, а затем из этой заго­товки штампуют поковку более сложной формы?

2. Как влияет пористость детали на ее ме­ханические характеристики?

3. Почему при компактировании заготовки сложной формы непосредственно из железного порошка по традиционным схемам не удается достичь высокой плотности?

4. Почему горячая штамповка заготовок порошковых деталей на прессах не позволяет получить высокие механические характеристи­ки изделий?

5. Как способ производства железного по­рошка отражен в марке порошка?

6. Что называют активными силами кон­тактного трения?

7. В чем состоит отличие штамповки с ак­тивными силами трения пористой заготовки от штамповки с активными силами трения ком­пактной заготовки?

8. Почему для штамповки с активными си­лами трения целесообразно создавать специ­альные прессы?

9. Целесообразно ли при штамповке с ак­тивными силами трения уменьшать смазку заготовки, чтобы увеличить контактное тре­ние?

10. Возникают ли активные силы контакт­ного трения при выдавливании в плавающей матрице, не имеющей привода для ее принуди­тельного перемещения?

11. Как осуществляется дополнительное ле­гирование поверхностного слоя пористой заго­товки?

12. Почему при создании сдвигов между частицами формуемого железного порошка достигается более высокая плотность изделия?

13. На сколько можно уменьшить величину сжимающих заготовку напряжений при ис­пользовании сдвигов, чтобы достичь заданной плотности?

14. Как следует располагать полость штам­па при формовании порошковых деталей с уменьшающейся по высоте толщиной стенки: узкой частью вниз или вверх? Почему?

15. Благодаря чему удалось, как это пока­зано на экспериментальных кривых на рис. 3.67 - 3.69, осуществить формование кониче­ских заготовок при удельной силе более 1200 МПа, если ранее было указано, что при удельной силе, превышающей 600 ... 800 МПа,

128

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Изготовление деталей из листа

16. В штампе для формования поворачи­вающимся пуансоном (рис. 3.61) передается ли вся сила пресса на формуемую заготовку или часть этой силы расходуется на преодоление трения в резьбе?