Быстрорежущей стали при нагреве в вакууме

Температура, °С	Содержание газов, см3/100 г
Н2	Н2О	N2	CO	CO2	Sгаз
	2,1	2,2	0,8	2,2	1,4	8,7
	7,4	0,8	0,7	2,1	1,0	12,0
	5,2	0,1	12,3	30,8	-	48,4
	6,5	-	3,0	10,6	-	20,1
Итого:	21,2	3,1	16,8	45,7	2,4	89,2

Как видно из приведенных данных, в интервале температур 500 – 750°С из порошка выделяется водород, пары воды, азот и диоксид углерода. Основная масса оксида углерода выделяется при температуре 1000 – 1100°С. Сопоставление этих экспериментальных результатов с термодинамическими характеристиками восстановления оксидов углеродом указывает на то, что в составе оксидной пленки на поверхности порошковых частиц преобладает оксид хрома. Это следует из того, что этот оксид восстанавливается углеродом при атмосферном давлении, начиная с 1105°С, а в вакууме с 900°С. При вакуум-термической дегазации (температура ~ 750°С) восстановление оксида хрома не происходит.

Для разрушения оксидной пленки разработана оригинальная технология горячей экструзии порошков с титановым геттером. Брикет из пористой титановой губки размещается вместе с порошком в капсуле. Далее капсула герметизируется без откачки воздуха. Это значительно упрощает и удешевляет подготовку капсул. При последующем нагреве капсул с порошком под экструзию титановый геттер поглощает воздух, оставшийся в капсуле, создавая в ней вакуум. Как было показано выше, в вакууме при 1000 – 1100°С интенсифицируется процесс восстановления оксидов углеродом. Образовавшийся при восстановлении оксид углерода, как и воздух, поглощается титановым геттером. В результате на поверхности порошковых частиц формируется чистая (ювенильная) поверхность, и частичцы прочно свариваются друг с другом в процессе экструзии. Основываясь на проделанных исследованиях, ЦНИИМ, НПО "Тулачермет" и завод "Электросталь" в 1980-х годах организовали мелкосерийное промышленное производство экструдированных прутков Æ80 – 100 мм из стали 10Р6М5-МП. Порошки получали способом газового распыления в НПО "Тулачермет", а капсулы Æ325 мм экструдировали на гидравлическом прессе завода "Электросталь" с усилием до 63 МН.

Применение нового способа горячей экструзии с титановым геттером обеспечило повышение среднего значения прочности экструдированного металла в термообработанном состоянии до 4200 МПа при ударной вязкости 334 кДж/м². Эти свойства были получены на образцах из промышленных партий экструдированных прутков диметром 100 мм. Для сравнения отметим, что в аналогичных по размеру прутках стандартной стали Р6М5 прочность составляет 1800 – 2000 МПа и ударная вязкость 150 – 180 кДж/м².

5.6. ГОРЯЧАЯ ШТАМПОВКА

Горячая штамповка, или ковка в закрытых штампах, имеет некоторое сходство с процессом горячего прессования, поскольку проводится при близких температурах (0,7 – 0,8 Т_пл) и одноосном приложении давления на порошок. Вместе с тем, процессы горячего прессования и штамповки существенно различаются. При прессовании в качестве исходной заготовки обычно применяется свободно засыпанный порошок, тогда как при штамповке – предварительно спеченная заготовка. Другим отличительным признаком является возникновение бокового давления в начальный момент прессования порошка, поскольку он ограничен стенкой формы. При штамповке такого ограничения в начальный момент нет (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Положение заготовки при прессовании и штамповке

При горячей штамповке литых металлов и сплавов конечная форма изделия достигается, как правило, за несколько переходов. Применение в качестве исходной заготовки порошкового брикета, содержащего 10 – 20 % пор, позволяет за один удар молота уплотнить брикет и придать ему заданную форму. Применение исходных порошковых заготовок, вместо литых, позволяет способом горячей штамповки обеспечить ту же форму и свойства конечного изделия, но с меньшими усилиями и при сокращении числа ступеней процесса и потребного штампового инструмента.

В зарубежной литературе отмечается, что пористый материал при горячей пластической деформации получает более высокую степень деформационного упрочнения, в сравнении с плотным литым материалом. Горячая штамповка порошкового материала представляет собой комбинацию упрочнения и пластического течения под действием сил, приложенных в одноосном направлении. Стесненность деформации стенками штампа имеет большое значение при оценке фактического напряженного состояния. Существенно различается характер формоизменения пор при горячей штамповке, в сравнении, например, с ГИП. При ГИП происходит равномерное уменьшение размера и объема поры, тогда как при штамповке пора сплющивается, претерпевая значительные сдвиговые деформации.

Однородность плотности штампованной порошковой заготовки в большой степени зависит от смазки. При отсутствии смазки возникают зоны пониженной плотности и трещины. Для устранения пористости и хорошего схватывание порошковых частиц необходимо обеспечить высокую степень деформации в вертикальном направлении (50 % и более). Такие деформации без искривления и разрушения заготовки возможны только при оптимальном выборе температуры, хорошей смазке и соответствующем отношении высоты пористого брикета к его диаметру. Существует область оптимального соотношения высоты и диаметра брикета, в рамках которой обеспечивается полная плотность штамповки и минимальная вероятность образования дефектов. Горячая штамповка порошковых материалов на основе железа осуществляется в температурном интервале 1200 – 800°С.

Обычно штампованные заготовки из порошка имеют более высокие значения прочности, но пониженную пластичность в сравнении со штамповками из того же по составу сплава, но изготовленными из литого или деформированного полуфабриката. Например, штамповка из порошка конструкционной стали имеет твердость HRC 35, предел прочности 970 МПа и относительное удлинение 16 %. Те же характеристики такой же штамповки из проката составляют, соответственно: 27 HRC; 680 МПа и 23 %.

Рис. 5.11. Автоматизированная линия горячей штамповки

Более низкие пластические свойства порошковых штамповок даже при полной плотности можно объяснить наличием в структуре металла посторонних включений. Включения образуются преимущественно в результате окисления исходного пористого брикета и загрязнений от смазочных материалов и штамповой оснастки, которые попадают в поры брикета. Полностью устранить такие дефекты невозможно, их стараются свести к допустимому уровню. В автомобильной промышленности за рубежом из порошков на основе железа горячей штамповкой получают шатуны, муфты сцепления и другие детали. Допустимое содержание включений 0,2 % (объемных) при содержании кислорода менее 0,03 %.

На рис. 5.11 показана схема автоматизированной линии по производству порошковых деталей с применением горячей штамповки. Характерно, что заготовка, после нагрева в индукторе (в защитной среде), передается в штамп роботом за считанные секунды.

В нашей стране разработана технология горячей штамповки порошков, которую авторы (Ю.Г. Дорофеев и его сотрудники) назвали динамическим горячим прессованием (ДГП). Определяющими параметрами всех основных технологических операций ДГП является температура, время и давление.

Принципиальные температурновременные режимы ДГП показаны на рис. 5.12. На рис. 5.12а приведен режим, включающий кратковременный нагрев заготовок в защитной газовой среде, подачу их из печи в штамп и уплотнение. Такой вариант технологии рекомендуется для получения конструкционных деталей и других изделий преимущественно из однокомпонентной шихты. Для магнитопроводов и сердечников из порошков железа и его сплавов с фосфором, кремнием и никелем рекомендуется кратковременный нагрев, горячая допрессовка и последующий отжиг (рис. 5.12б). Длительный нагрев и спекание пористых заготовок из поликомпонентной шихты в защитных средах или вакууме с последующим охлаждением, повторным кратковременным нагревом и горячим уплотнением в штампе применяется для получения деталей из легированных конструкционных сталей, а также коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов (рис. 5.12в).

Применяются и другие варианты технологии ДГП, представляющие собой комбинацию операций, рассмотренных выше. Некоторые из них показаны на рис. 5.12г, д. Характерно, что в процесс ДГП включены не только нагрев и горячая штамповка, но и операции спекания и термической обработки.

Рис. 5.12. Варианты температурно-временных режимов ДГП

На заводе "Ростсельмаш" в 1975 г. впервые в нашей стране осуществлено массовое производство порошковых деталей методом ДГП. Детали имеют разную, сравнительно простую форму. Масса деталей до 2 кг. В ПО "Волгоградский тракторный завод" создана поточно-механизированная линия для изготовления уплотнительных колец ходовых систем гусеничных тракторов. Проводятся работы по внедрению ДГП и на других предприятиях.

За рубежом еще в 70-х годах созданы автоматизированные линии для горячей штамповки цилиндрических и конических шестерен, а также других сравнительно сложных по форме деталей из порошковых заготовок.

Существуют определенные проблемы, сдерживающие широкое применение горячей штамповки порошков. Условно их можно разделить на две группы – экономические и технические. Цена железных порошков в 2 – 3 раза превышает стоимость стального проката. Высока и стоимость штамповой оснастки, поэтому горячая штамповка порошков не всегда может конкурировать с процессами штамповки и ковки монолитного материала и точным литьем. Производство конструкционных деталей из порошков с применением горячей штамповки экономически целесообразно только в тех случаях, когда почти полностью исключается необходимость в механической обработке деталей.

Группа технических проблем связана со свойствами и качеством штампованных порошковых заготовок. При горячей штамповке в заготовках довольно часто могут возникать трещины, недопрессовки, разноплотность и другие виды внутренних дефектов. Распространенным дефектом заготовок является также обезуглероживание или окисление поверхностных слоев вследствие несовершенства технических средств защиты пористых заготовок от взаимодействия с воздухом и газовой атмосферой нагревательных устройств. Указанные дефекты могут приводить к существенному снижению механических свойств. Надо отметить и возможные погрешности размеров и форм заготовок, связанные с нестабильностью размеров штамповой оснастки. В борьбе за повышение конкурентоспособности технология горячей штамповки порошков, оборудование и штамповая оснастка непрерывно совершенствуется с целью повышения свойств и качества продукции, а также снижения затрат на ее производство.

5.7. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

5.7.1. Моделирование процесса уплотнения порошков

За последние годы в связи с успешным развитием компьютерной техники все шире применяются методы математического моделирования, которые позволяют более детально анализировать процессы и технологии с целью выбора оптимальных технических решений и сокращения числа дорогих натурных экспериментов.

Компьютерное моделирование процесса уплотнения порошков ставит своей целью предсказать влияние технологических параметров (температура, время, давление, размер частиц, исходная плотность сырой формовки и др.) на плотность, форму и размеры уплотняемой заготовки. Теоретической основой такого моделирования является математическое описание механизмов массопереноса – диффузии, ползучести (крипа) и пластического течения. В частности, диффузионный крип, контролируемый объемной диффузией и являющийся определяющим механизмом массопереноса при горячем прессовании и ГИП, анализируется с использованием уравнения:

(1/L_o) d(ΔL)/dt = 13D_VΩP_E / kTG² , (5.7)

где L_o ‑ исходный размер уплотняемой заготовки; Т – абсолютная температура; k – постоянная Больцмана; Ω ‑ атомный объем; D_V – коэффициент объемной диффузии; G – размер зерна; P_E – эффективное давление

В случае, когда превалирует диффузия по границам зерен, применяют другое уравнение:

(1/L_o) d(ΔL)/dt = 48 δ D_BΩP_E / kTG³ , (5.8)

где δ – ширина границы зерна (около пяти диаметров атома)

При высокой температуре скорость уплотнения зависит от дислокационного перемещения:

(1/L_o) d(ΔL)/dt = (С b μ D_V / kTG³) (P_E / μ)ⁿ , (5.9)

где b – вектор Бюргерса; С – постоянная материала; μ – модуль сдвига; n – экспонента, зависящая от напряженного состояния заготовки (n = 2 – 4).

Плотность порошковой заготовки, которую можно достигнуть в условиях пластического течения ρ, рассчитывают по формулам:

ρ ={ [P_A(1- ρ_G) / 1,3 σ_s] + ρ_G³}^1/3 , (5.10)

ρ = 1 – exp (-3 P_A / 2σ_s) , (5.11)

где P_A – приложенное давление; ρ_G – относительная плотность сырой формовки; σ_s ‑ предел текучести порошкового тела при температуре уплотнения.

Формулу (5.10) применяют при ρ< 0,9, а формулу (5.11) при ρ > 0,9.

Скорость уплотнения рассчитывают по формуле:

dρ/dt = (1 – ρ) B [(g γ / ψ) + P_E - P_P] , (5.12)

где В – суммарный параметр свойств материала, определяемый коэффициентом диффузии и размером частиц; g – геометрический параметр; ψ – масштаб микроструктуры; P_E – эффективное давление; P_P – давление газа в порах. Например, на завершающей стадии уплотнения ψ – диаметр поры, g = 4.

У большинства порошковых материалов поверхностная энергия γ находится в пределах от 1 до 2 Дж/м², а масштаб микроструктуры от 0,1 до 20 мкм. Соответственно, типичное значение комплекса (g γ/ψ) = 1 – 20 МПа. Это давление (напряжение) генерируется капиллярными силами при спекании. Эффективное давление связано с внешним приложенным давлением, но обычно, в связи с повышением давления на выступах поверхностных контактов частиц, оно в несколько раз превышает внешнее давление. В качестве примера на рис. 5.13 приведены расчетные диаграммы уплотнения при ГИП порошка инструментальной стали с размером частиц 50 мкм. График слева показывает изменение плотности в зависимости от давления при постоянной температуре 1200^оС для разных по времени изотермических выдержек (0,25; 0,5; 1; 2 и 4 ч). График справа отражает зависимость плотности от температуры при постоянном давлении 100 МПа и тех же временных параметрах. На графиках указаны области разных механизмов массопереноса – диффузии, крипа и пластического течения.

За рубежом формулы 5.7 – 5.12 лежат в основе компьютерного исследования и моделирования процесса уплотнения порошков.

Рис. 5.13. Зависимость относительной плотности заготовки от

давления и температуры (моделирование, расчетные данные)

5.7.2. Моделирование процесса горячей экструзии

Особенно эффективным может быть компьютерное моделирование при совершенствовании существующих и разработке новых технологий. Рассмотрим применение компьютерного моделирования на конкретном примере ‑ разработке технологии горячей экструзии титановой стружки. Эта работа была выполнена под руководством автора творческим коллективом сотрудников Центрального научно-исследовательского института материалов, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и Радиевого института им. Хлопина.

Титан и его сплавы обладают высокими характеристиками удельной прочности и коррозионной стойкости. Эти и другие ценные свойства делают титан привлекательным конструкционным материалом для многих отраслей современной техники, однако его применение в гражданских объектах сдерживается из-за высокой стоимости полуфабрикатов.

В мире ежегодно на авиационных заводах и других машиностроительных предприятиях перерабатывается около 100 тыс. тонн титановых слитков, причем более половины этой массы металла превращается в стружку. Поверхность стружки загрязнена оксидами, масляной эмульсией и другими примесями, поэтому эта стружка не переплавляется и относится к категории некондиционных отходов. Существует запрет на использование загрязненной стружки при производстве титановых изделий особо ответственного назначения, например для авиации и космоса. В то же время, для многих изделий гражданской техники нет необходимости в жестком ограничении на использование некондиционной стружки. Следует иметь в виду и ресурсосберегающий аспект этой проблемы. Замена губчатого титана стружкой позволяет сберечь (из расчета на 1 т стружки): рутила – 2,2 т; магния – 1,25 т; хлора – 3,5 т; электроэнергии – 20 тыс. кВт∙ч.

Была поставлена задача разработать технологию производства дешевых титановых полуфабрикатов из стружки на базе процесса горячей экструзии, который применялся при производстве беспористых заготовок из порошков быстрорежущей стали. Актуальность проблемы и отсутствие в мировой практике приемлемой технологии регенерации титановой стружки позволило оформить соответствующий проект и обеспечить его финансирование через международный научно-технический центр (МНТЦ).

Разработанная на базе имевшегося научного задела предварительная технологическая схема включала: дробление стружки, очистку от примесей, холодное прессование в брикеты, капсулирование брикетов в тонкостенных стальных капсулах, герметизацию капсул, нагрев и экструзию.

Первые лабораторные эксперименты по экструзии капсул со стружкой Ø 40 и высотой 60 мм не дали положительных результатов. При температуре нагрева 1050^оС давление прессования вплоть до 1200 МПа не обеспечило продавливание капсулы через очко матрицы. Капсула быстро охлаждалась за время переноса и установки в штамп. Решить возникшую проблему путем повышения температуры нагрева капсулы с брикетом невозможно, из-за образования при 1085^оС жидкой эвтектической фазы в системе Fe – Ti, которая приводит к разрушению стальной капсулы. Эксперименты были продолжены на промышленном оборудовании с использованием капсул Ø145 мм. Были получены первые экструдированные заготовки из титановой стружки, но выявились и технологические проблемы. При осадке капсул в контейнере пресса происходила деформация капсул с образованием гофр, которые глубоко проникали в стружечный брикет и резко снижали выход годного при обработке поверхности экструдированного прутка. В связи с большой трудоемкостью и дороговизной промышленных экспериментов и с целью более детального исследования технологии экструзии возникла необходимость в разработке компьютерной модели процесса.

Математический анализ технологических процессов обработки давлением порошковых металлических материалов возможен с тех же позиций теории пластического течения, с которых выполняется моделирование процессов обработки давлением компактных материалов. Для этого необходимо корректно сформулировать условие предельного состояния порошкового материала, т. е. построить поверхность текучести, и далее получить уравнение ассоциированного закона пластического течения, связывающего параметры напряженного и деформированного состояний.

Физические уравнения для некомпактного материала включают две скалярные функции: Т – интенсивность касательных напряжений и σ₀ – среднее нормальное напряжение, зависящие от начальной плотности материала, степени объемной деформации и степени деформации сдвига. Если для моделирования поведения компактных материалов достаточно иметь одну механическую характеристику – предел текучести в функции температуры, степени и скорости деформации, для анализа процессов обработки давлением порошковых и пористых материалов необходим значительно больший объем сведений о материале. В качестве кривой текучести предлагается использовать эллипс, смещенный относительно начала координат в сторону сжимающих напряжений

, (5.13)

где a = 0,5(σ₁ + σ₂) – длина горизонтальной полуоси эллипса; σ₁ ‑ предел текучести при гидростатическом сжатии (МПа); σ₂ ‑ предел текучести при гидростатическом растяжении (МПа); τ_s ‑ предел текучести при пластическом сдвиге (МПа); с = 0,5(σ₁ - σ₂) ‑ предел уплотнения (МПа).

Приведенное уравнение поверхности текучести использовано для математического моделирования технологических задач обработки давлением, что позволяет определить все необходимые технологические параметры для реализации процессов, в том числе плотность материала и силовые характеристики процессов. Построение математической модели деформирования пористого материала в тонкостенной стальной оболочке проводилось на основе соотношений термомеханики контактного взаимодействия с учетом физической и геометрической нелинейностей. Все расчетные исследования выполнены с помощью конечно-элементных алгоритмов, реализованных в программных системах конечно-элементного анализа ANSYS 5,6 и LS-DYNA. ANSYS и LS-DYNA являются универсальными конечно-элементными программными системами, сертифицированными в соответствии с регламентациями большинства международных стандартов.

Вследствие осевой симметрии конструкции и внешних воздействий задача решается как осесимметричная. К деформируемой заготовке прикладывали вертикальные перемещения или нормальное давление. Соответственно, предполагалась возможность множественного контактного взаимодействия между титановым брикетом, стальной капсулой и внутренней поверхностью контейнера и матрицы. Модель построена с помощью 8-узловых квадратичных элементов. Она содержит 647 элементов и 836 узловых окружностей.

С помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS 5.6 исследованы:

‑ начальная стадия экструзии титановых брикетов;

‑ утяжка материала в области оси симметрии и образование пресс - утяжины;

‑ зоны «застоя», проскальзывания, прилипания и зоны образования гофр, которые характерны для технологических задач со многими контактными взаимодействиями.

Образование в деформируемой конструкции гофр может стать причиной дефектности экструдированных прутков и необходимости их обдирки на большую глубину. Гофры образуются потому, что титан при нагреве не сваривается со сталью, и между брикетом и стенкой капсулы нет схватывания. Возникла идея построить процесс экструзии таким образом, чтобы выдавить титан из капсулы подобно пасте из тюбика, получив пруток с чистой поверхностью, без остатков стальной оболочки. При этом капсула должна остаться в пресс-остатке в контейнере пресса.

С помощью программной системы конечно-элементного анализа LS-DYNА построена конечно-элементная модель, содержащая 867 элементов и 1563 узлов. На основе этой модели исследован полный процесс экструзии длинномерных прутков и эффект разрушения капсулы при прорыве ее дна. Этот результат моделирования позволил определить конструктивные параметры капсулы и необходимое давление для прорыва ее дна. С учетом результатов компьютерного моделирования из некондиционной очищенной и сбрикетированной стружки, на промышленном прессе была проэкструдирована партия капсул Ø145 мм. В результате изготовлены прутки Ø15-60 мм длиной до 10 м и горячепрессованные трубы Ø42 мм с толщиной стенки 8 мм. При изучении сечения реального пресс-остатка можно увидеть слои стали и титана. Слои стали это спрессованные остатки капсулы. Такие отходы являются готовой шихтой для производства ферротитана. Относительная плотность титановых полуфабрикатов из стружки близка к теоретической (> 99 %). По прочности титан из стружки даже превосходит стандартный титан с аналогичным химическим составом, но уступает ему по пластическим свойствам. Новая технология регенерации титановой стружки запатентована в РФ и США.

Глава 6. Изготовление порошковых изделий без форм

Основная масса порошковых изделий – это детали и заготовки, изготовленные с применением долговечной и дорогой инструментальной оснастки (пресс-формы и штампы). Очевидно, что применение такой оснастки экономически оправдывается только в условиях массового производства, когда ее стоимость раскладывается на десятки и сотни тысяч изделий. Высокая стоимость сложной по форме, фасонной оснастки – основная экономическая проблема, сдерживающая применение порошковых технологий, особенно при изготовлении небольших серий изделий.

6.1. Механическая обработка заготовок

Частично проблема дороговизны инструментальной оснастки решается, например, при производстве инструмента из твердых сплавов, методом механической обработки пластифицированных заготовок. Сущность метода состоит в следующем. Простая по форме заготовка (пластина, цилиндр) прессуется и спекается при сравнительно низкой температуре с таким расчетом, чтобы пористость после спекания составила 35-40 %. Затем пористая заготовка пропитывается парафином и подвергается механической обработке. После механической обработки парафин отгоняется, и заготовка спекается до требуемой плотности.

Особенность метода в том, что вначале надо правильно выбрать размер сырой формовки, учитывая при этом высокую пористость после предварительного спекания и большую усадку при окончательном спекании. Это делается умножением размеров окончательно спеченной детали на коэффициент усадки, но точность результата зависит от стабильности значений пористости и усадки.

Рассмотрим пример изготовления инструмента из твердого сплава с использованием метода механической обработки. После определения размеров сырой формовки изготавливается, или подбирается из наличия, простая пресс-форма для формования исходной заготовки. После прессования, полученную формовку спекают в водороде при 700 – 1000^оС с целью придать ей достаточную прочность, необходимую для последующей механической обработки. Обычно предел прочности должен быть не ниже 20 МПа. После спекания заготовку пропитывают чистым медицинским парафином, который после испарения практически не оставляет примесей. Пропитка ведется в ванне из нержавеющей стали с электрическим подогревом. Вначале ванну нагревают до 40-50^оС, в расплавленный парафин опускают заготовки, уложенные на дырчатый поддон, и повышают температуру до 140 – 150^оС со скоростью 50^о/ч. Парафин, проникая через капиллярные поровые каналы, вытесняет воздух и заполняет все поры. При достижении заданной температуры подогрев прекращается и ведется медленное охлаждение до ~ 30^оС, после чего заготовки вынимаются из ванны. О качестве пропитки судят по контрольным образцам. При равномерной пропитке излом, в месте царапания острым предметом имеет металлический блеск. Такой контроль позволяет отбраковать дефектные заготовки. Если заготовки имеют раковины и трещины, то там скапливаются пузырьки воздуха и в этих местах видны более светлые прожилки парафина.

Механическую обработку пластифицированных парафином заготовок проводят острым твердосплавным инструментом при небольших подачах. Можно получать детали практически любой сложности с чистой поверхностью и острыми кромками.

После механической обработки проводят отгонку парафина. Изделия укладываются в лодочки из нержавеющей стали, присыпаются графитовой крупкой или корраксом для более равномерного нагрева и предотвращения спекания друг с другом. В специальной водородной печи заготовки нагреваются сравнительно быстро до 200^оС и далее, более медленно, в связи бурным испарением парафина при 200 – 500^оС. После отгонки парафина продолжается быстрый нагрев до 750 – 780^оС для повышения прочности пористых заготовок. Общее время отгонки парафина 19 – 12 ч, время охлаждения 0,5 – 1 ч.

Метод механической обработки пластифицированных заготовок довольно широко применяется при изготовлении деталей пресс-форм и штампов, обжимных роликов, режущих инструментов (фрезы, сверла, развертки, зенкеры, фасонные резцы, метчики и др.). За рубежом таким методом производят не только твердосплавные заготовки, но и изделия из других материалов, например из порошков нержавеющей стали. Это, прежде всего, первые образцы новой продукции (детали-прототипы), после отработки которых на стадии НИОКР, планируется организация промышленного производства. Масса отдельных деталей достигает 100 кг. Разработка новых полимеров (вместо парафина), позволяющих повысить прочность сырой формовки, расширяет возможности практического применения этого метода.

6.2. Компьютерные технологии

Термин «компьютерные технологии» использован для обозначения новых порошковых технологий, базирующихся на компьютерном моделировании будущего порошкового изделия и программном управлении процессом его формирования, без применения каких-либо форм. Несколько таких технологий в англоязычной литературе объединяют под названием Rapid prototyping (RP), что на русском языке можно обозначить как быстрое изготовление прототипа. RP-процесс позволяет производить модели, пилотные образцы и прототипы различных деталей непосредственно по трехмерному изображению, созданному в компьютере. Данные трехмерной компьютерной модели аналитическим методом конечных элементов преобразуются в тонкие горизонтальные слои, геометрические координаты которых воспринимаются автоматически RP-процессором. Формирование изделия (прототипа) происходит заполнением порошковыми металлическими частицами каждого горизонтального слоя, слой за слоем. Если, например, толщина слоя составляет 0,5 мм, а высота изделия 50 мм, то процесс включает поочередное формирование 100 слоев. Существует несколько разновидностей RP – процесса. Одним из таких вариантов является мультифазное струйное затвердевание (МJS-процесс), схематичное изображение которого приведено на рис. 6.1. Исходным материалом, как и при инжекционном формовании, является смесь металлического порошка и легкоплавкой связки. Такая смесь нагревается до требуемой вязкости и через сопло экструдируется для формирования каждого слоя по заданной программе. Жидкое полимерное связующее затвердевает в контакте с начальной подложкой или предыдущим слоем. Для хорошего сцепления слоев процесс проводится таким образом, чтобы каждый последующий слой частично расплавлял предыдущий.

Рис. 6.1. Схема мультифазного струйного затвердевания

(MIS-процесс)

Контейнер, оборудованный нагревателем и экструдирующим соплом, размещен на координатном столе (xyz-стол). После формирования каждого слоя в горизонтальной плоскости, экструзионное сопло поднимается в z – направлении на толщину нового слоя. Высота каждого слоя выбирается от 0,1 до 0,5 мм. Заготовка формируется слой за слоем, пока не достигнет окончательной высоты. После завершения процесса формообразования заготовка, состоящая примерно из 50 % (объем) порошка и 50 % связки обрабатывается в растворах или нагревается для удаления связки. Затем пористая металлическая заготовка спекается до конечной плотности, которая составляет 95 – 98 % от теоретической. На рис. 6.2 показана технологическая схема процесса и внешний вид смеси, а также сырой и спеченной заготовок. Усадка пористой заготовки при спекании составляет 10 – 16 % в зависимости от свойств исходной смеси. По описанной технологии за рубежом изготавливают детали из нержавеющей стали, титана и керамики.

Рис. 6.2. Порошковая смесь и заготовки, полученные MIS-процессом

Одной из модификаций MJS – процесса является получение плотных заготовок путем инфильтрации жидкого металла в пористый порошковый скелет. Инфильтрант должен быть совместимым с матричным материалом по температуре плавления, смачиваемости и др. Технология инфильтрации в комбинации с MJS – процессом позволяет повысить механические свойства изделий и уменьшить практически до нуля усадку заготовок, поскольку при инфильтрации пористый порошковый скелет не меняет свои размеры.

Одна из немецких фирм производит автоматизированное оборудование RP-Jet 200 Sistem, включающее персональный компьютер и xyz-компьютерно-контролирующую систему, представляющую собой точный координатный станок, способный перемещать в пространстве 200х200х175 мм контейнер с соплом с точностью 0,01 мм. Температура нагрева смеси в контейнере поддерживается с точностью ± 1°С.

Порошковая смесь экструдируется при температуре до 200°С через сопло с отверстием от 0,5 до 2 мм в диаметре.

MJS – процесс рекомендуется для изготовления средних по размерам деталей. Точность размеров сырой заготовки ± 0,2 мм. Размерная точность спеченной заготовки зависит от условий удаления связки и усадки при спекании. Максимальная толщина стенки деталей – 15 мм. Поверхность заготовок обычно довольно грубая, со следами послойного формирования изделия, но сырая заготовка (до спекания) легко поддается механической или пескоструйной обработке для сглаживания поверхности.

Другой разновидностью RP-процесса является лазерная технология обработки металлических порошков. Здесь уже существует несколько технологических направлений. Одно из них базируется на применении металлических порошков, покрытых полимерной пленкой. Этот процесс называют косвенной лазерной консолидацией. Стальные порошки, покрытые полимерной пленкой толщиной 5 мкм, консолидируются за счет тепловой энергии лазерного пучка, причем процесс протекает при температуре плавления полимерной пленки. Сырые заготовки имеют высокую пористость, поэтому их сначала инфильтруют водным раствором полимера, затем удаляют связку, спекают и инфильтруют жидкой медью для повышения механических свойств.

При прямой лазерной консолидации используют смесь металлических порошков, различающихся по температуре плавления, без полимерной пленки. Одной из финских фирм запатентована смесь порошков бронзы и никеля. Отказ от полимерной добавки и операции удаления связки значительно сокращает время изготовления заготовок. Лазерная консолидация в данном случае является операцией спекания в твердой фазе, поэтому пористость заготовок достигает 30 %.

Наиболее перспективная компьютерная технология с применением лазерной техники, разработана фирмой Аэромет (США). Принципиальная схема этого процесса, названного Lasform - процесс показана на рис. 6.3. Лазерный луч фокусируется в определенной точке формируемого изделия, создавая в этом месте жидкую ванну (лунку). Шихтовый материал, например, титановый порошок в нужном количестве подается в образовавшуюся лунку, и после ее перемещения из зоны действия лазерного луча, затвердевает в ней. Формуемое изделие перемещается по отношению к лазерному лучу по определенной, наперед заданной программе. Как уже это описано выше для RP – процесса, формование изделия осуществляется послойно, начиная от некоторой подложки.

Рис. 6.3. Схема Lasform – процесса: 1 – изделие; 2 – лазерный луч

Установка для производства изделий по новой технологии состоит из герметичной большой камеры 3000х3000х1200 мм, лазера мощностью 14 кВт (14 кWCO₂) и новейшей системы подачи порошка. Процесс расплавления и осаждения титанового порошка происходит в атмосфере аргона, содержащей не более 0,001 % кислорода. Мощный лазер обеспечивает высокую производительность процесса (несколько килограмм в час) и создает качественную ванну жидкого металла, которую невозможно получить обычными методами дуговой сварки. Система подачи порошка обеспечивает его чистоту и быструю транспортировку. Координация лазерного луча и перемещение в пространстве изготавливаемого изделия обеспечивается трех-координатной движущейся системой, способной перемещать массу 9000 кг с точностью фиксирования ± 0,08 мм. Такая установка изготовлена по заказу военных ведомств США для производства изделий аэрокосмической техники. Планируется ее применение также для производства танкового вооружения и изделий, применяемых в химических производствах.

В новом процессе в качестве шихтовой заготовки могут применяться прутки, проволока и порошки, но порошки более предпочтительны, прежде всего, потому что они дешевле. Порошки должны отвечать обычным требованиям по химическому составу и текучести. Опыт работы показал, что при лазерном распылении порошка его состав практически не изменяется. Важным преимуществом нового процесса, использующего порошки, является возможность вовлечь в производство отходы, например, делать порошки из стружки. Полученные к настоящему времени изделия показали, что новая лазерная технология обеспечивает практически 100 % плотность металла и высокий уровень механических свойств.

6.3. Оспрей - процесс

Оригинальную технологию производства заготовок без применения форм разработала английская фирма «Оспрей лтд.». В этом процессе совмещаются технологические операции распыления расплава и формования заготовок. Расплав распыляется газом, а поток распыленных частиц направляется на холодную подложку, причем скорость распыления и расстояние от фокуса распыления до поверхности подложки выбирается и регулируется с таким расчетом, чтобы частицы сваривались друг с другом. Такое техническое решение предотвращает формирование оксидных пленок на порошковых частицах. Первоначально Оспрей-процесс применялся для изготовления небольших по массе фасонных заготовок из конструкционных и инструментальных сталей, которые подвергали горячей штамповке.

Рис. 6.4. Схема производства полунепрерывного слитка с

применением Оспрей-процесса: 1 – разливочная воронка;

2 – газовая форсунка; 3 – металлогазовый факел; 4 – слиток;

5 – корпус установки

Затем этот процесс стали применять для производства заготовок цилиндрического сечения в виде сплошных слитков или труб из сталей, жаропрочных никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и др. Особенно перспективно применение этого процесса для сплавов, склонных к макроликвации при стандартной технологии производства слитков. На рис. 6.4 приведена схема производства полунепрерывного слитка с применением Оспрей-процесса.

Имеются сведения об изготовлении трубных заготовок на базе Оспрей-процесса. Трубные заготовки получают, распыляя расплав на вращающуюся подложку цилиндрической формы рис. 6.5. Типичная скорость распыления от 0,5 до 2 кг/с. Скорость охлаждения капель расплава около 10⁴ К/с. Сообщается об изготовлении трубных заготовок из сплава никеля, содержащего 21 % хрома, 9 % молибдена и 4 % ниобия. Трубные заготовки подвергали горячей экструзии. В результате получали трубы диаметром 100200 мм с дисперсной структурой и без какой-либо макронеоднородности по химическому составу. Механические свойства металла: предел прочности более 1000 МПа; предел текучести 490-560 МПа; относительное удлинение 30 %. Достигнутый уровень свойств превышает свойства труб из этого же сплава, но изготовленных другими технологическими способами.

Рис. 6.5. Схема производства трубной заготовки

Глава 7. Финишные технологические операции

Необходимость повышения свойств порошковых материалов стимулирует разработку и применение различных видов дополнительной обработки на финише производственного процесса изделий из порошка. Такими финишным операциями являются различные виды термической и механической обработки, защита от коррозии и др.