Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии

Применение конструкционных порошковых материалов

Производство заготовок методами порошковой металлургии включает получение и подготовку порошков исходных материалов (металлов, сплавов, металлоидов и др.); прессование изделий необходимой формы в специальных пресс-формах; термическую, обработку (спекание) спрессованных изделий, обеспечивающую им окончательные свойства. Иногда применяют совмещение операций прессования и спекания, пропитку пористого брикета расплавленным металлом, допрессовку или калибровку спеченных полуфабрикатов и пр.

Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы как аналогичные по структуре и свойствам традиционным, так и обладающие совершенно новыми комплексами свойств. При этом совмещаются процессы получения конструкционных материалов и формообразования заготовок, часто не требующих последующей размерной обработки или подвергаемых незначительной механической обработке.

В зависимости от условий эксплуатации конструкционные порошковые материалы (КПМ) подразделяют на две группы: материалы, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы; материалы со специальными свойствами – износостойкие, инструментальные, жаропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие, для атомной энергетики, с особыми физическими свойствами (магнитными, электро- и теплофизическими и др.), тяжелые сплавы, материалы для узлов трения – антифрикционные и фрикционные и др. Физико-механические свойства КПМ при прочих равных условиях определяются плотностью (или пористостью) изделий, а также условиями их получения. По степени нагруженности порошковые детали подразделяют на четыре группы (табл. 4.1).

 

Таблица 4. 1. Характеристика конструкционных порошковых материалов

Прочность и жесткость малонагруженных деталей не рассчитывают, их размеры выбирают из конструктивных или технологических соображений. При изготовлении из традиционных литых или деформированных материалов такие детали имеют слишком большой запас прочности и повышенную массу. Поэтому массовое изготовление заготовок этих деталей методами порошковой металлургии позволяет экономить значительное количество металла. Причем могут быть использованы наиболее дешевые порошки металлов без их легирования (обычно порошки железа или шихты на его основе с добавками углерода).

К умеренно нагруженным деталям условно относят такие, ра­ботоспособность которых в течение всего периода эксплуатации при действующих напряжениях обеспечивают КПМ с пределом прочности, не превышающим при статическом одноосном растяже­нии 45–65 % (в условиях динамического нагружения 35...60%) соответствующих характеристик беспористого материала анало­гичного состава. Обычно их изготавливают из порошков углеродис­тых или низколегированных сталей. Большинство умеренно нагру­женных деталей не подвергается расчетам на прочность и жест­кость. Их размеры также выбирают из конструктивных или техно­логических соображений.

Средненагруженные детали находятся под воздействием значи­тельных статических или умеренных динамических нагрузок. Их изготавливают из порошков углеродистых или легированных ста­лей, цветных металлов и сплавов. Необходимый уровень прочности деталей обеспечивает материал пористостью 2–9 %.

На тяжелонагруженные детали воздействуют статические или динамические напряжения большой интенсивности. Работоспособ­ность таких деталей обеспечивают КПМ, относительная прочность которых близка к прочности беспористого материала.

Для получения высоких прочностных характеристик КПМ ис­пользуют более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. Физико-механические свойства наиболее распространенных углеродистых порошковых сталей раз­личных подгрупп плотности приведены в табл. 4.2.

Преимуществами производства заготовок методами порошко­вой металлургии являются: возможность применения материалов с разнообразными свойствами – тугоплавких, псевдосплавов (медь-вольфрам, железо-графит и др.), пористых (фильтры, самосмазывающиеся подшипники) и других; малоотходность про­изводства (отходы не превышают 1–5 %); исключение загрязне­ния перерабатываемых порошковых материалов; использование ра­бочих невысокой квалификации; легкость автоматизации техноло­гических процессов и др.

К недостаткам порошковой металлургии относятся: ограничен­ность размеров и относительная простота формы получаемых из­делий; экономичность применения при достаточно больших масшта­бах производства; остаточная пористость заготовок, которая в не­которых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как у отливок и поковок.

 

Таблица 4.2. Физико-механические свойства порошковых углеродистых сталей без термической обработки

 

Типовыми деталями, изготавливаемыми из порошковых заго­товок, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, гайки, втулки, храповики, фланцы, детали измерительных инструментов и др.

Выбор заготовок, намечаемых для изготовления из КПМ, про­водят в три этапа: 1) отбор деталей, заготовки которых можно изготавливать мето­дами порошковой металлургии; 2) оценка их технологичности с точки зрения требований порошковой металлургии и опреде­ление возможной схемы технологического процесса; 3) анализ технико-экономических показателей производства заготовок и опреде­ление экономической целесообразности их изготовления из порош­ков.

На первом этапе изучают конструктивные особенности и усло­вия работы анализируемых изделий. Предварительно определяют наиболее массовые и быстроизнашивающиеся детали, а также детали, изготавливаемые из дорогих и дефицитных материалов; опре­деляют общую годовую потребность в порошковых заготовках этих деталей. Выявленные детали классифицируют по конструкции и назначению, конфигурации и размеру; точности размеров и шеро­ховатости поверхностей, условиям эксплуатации. По условиям эксплуатации (температура, влажность и агрес­сивность окружающей среды, наличие или отсутствие смазки, ско­рость и давление в зоне сопряжения и т. п.) выбирают тип порош­кового материала (конструкционный, антифрикционный, специаль­ного назначения и пр.) и его марку.

На втором этапе прежде всего оценивают форму и размеры за­готовки. Для этого вычерчивают эскиз заготовки, определяют ее группу сложности (табл. 4.3), анализируют возможность измене­ния формы и размеров. Затем определяют последовательность опе­раций при получении заготовки (табл. 4.4), ее расположение в пресс-форме, необходимость операции калибровки или последую­щей механической обработки для получения требуемой точности размеров.

Таблица 4.3. Классификация порошковых заготовок по группам сложности

 

По давлению прессования и площади поперечного сечения за­готовки находят потребную мощность прессового оборудования.

При анализе возможности производства порошковых заготовок учитывают сложность изготовления пресс-форм, количество и тру­доемкость операции, влияние конфигурации детали на равномер­ность плотности заготовки по всему сечению. Наиболее целесооб­разно изготавливать методами порошковой металлургии заготовки из цветных металлов и сплавов (1–7 групп сложности), стальные и чугунные детали крупносерийного производства (1–5 групп слож­ности).

 

Таблица 4.4. Основные технологические схемы производства заготовок