Прессование металла и способы прессования

Обновлено: 21.09.2024

Компания ООО «Анатомика» осуществляет производственную деятельность в области металлообработки и инжиниринга. Специалисты нашей компании реализуют проекты от разработки модели детали до её полного изготовления. В частности, к видам деятельности относятся разработка 3D моделей, технологических карт, управляющих программ, оснастки и инструмента, токарные и фрезерная обработка, слесарные работы и покраска, гальваническая обработка, шлифование, сверление.

Процесс прессования — это процесс, без которого невозможно представить современное промышленное производство. С помощью этого метода получают композиционные материалы на основе полимеров, обрабатывают заготовки из чёрных и цветных металлов, производят множество композиционных материалов. Рассказываем, что значит металлообработка такого типа.

Что такое прессование

В общем случае, прессование представляет собой формирование готового изделия из металлической заготовки или полимерного сырья путём давления. Основное оборудование – гидравлические (реже пневматические) прессы.

В качестве оснастки выступают:

пуансон;
матрица;
пресс-форма.

Что входит в процесс прессования

В зависимости от материала, технология прессования включает несколько операций. При обработке цветных металлов:

заготовку помещают в контейнер;
выполняется прессование;
изделие вынимают из пресс-формы;
производится удаление пресс-остатка.

Схема получения алюминиевого профиля

При прессовании сталей процесс аналогичен, но предварительно обязателен нагрев до 800 – 1200° С в индукционных печах или расплавах солей.

Сущность метода прессования полимеров близка к обработке металлов, однако, физико-механические свойства пластических масс определяют некоторые особенности.

Техпроцесс включает следующие операции:

подготовка пресс-материала;
дозировка;
помещение сырья в пресс-форму;
нагрев (в некоторых случаях применяется предварительный подогрев);
подпрессовка;
извлечение готового изделия, охлаждение;
обрезка пресс-остатка.

Какие бывают методы прессования

Обработка заготовок из чёрных и цветных металлов

Прессованию подвергаются металлические заготовки, полученные методом литья или прокатки. Сущность метода состоит в выдавливании металлической заготовки из контейнера, расположенного в пуансоне, через отверстие в матрице. При этом форма отверстия в матрице определяет профиль получаемого изделия. Для формирования отверстия используют иглу.

Схема прессования профильной трубы

прямое (заготовка перемещается в направлении движения пуансона);
обратное прессование (заготовка движется в обратном направлении).

По сравнению с заготовками, полученными с помощью других методов обработки металлов давлением, прессованные изделия обладают высокой точностью. Кроме того, данный метод отличает простота переналадки оборудования в зависимости от требуемой конфигурации изделий.

Однако значительный процент отходов (пресс-остаток составляет 10 – 20%) и высокая стоимость оборудования ограничивает его применение.

Прессование пластмасс и композиционных материалов на их основе

Пластмассовые изделия и композиционные материалы на их основе (ПКМ) изготавливают тремя основными способами прессования:

компрессионным – прямым;
литьевым – трансферным;
профильным (штранг-прессование)

В первом случае порошковый или таблетированный материал, загруженный в горячую пресс-форму, под давлением пуансона, в нагретом состоянии заполняет все полости внутри пресс-формы, а затем подвергается давлению. В некоторых случаях применяются подогреваемые прессовые плиты.

При прямом прессовании используются недорогие и простые в изготовлении пресс-формы, однако, всегда существует риск деформации изделий. Кроме того, очень трудно получать изделия с глубокими и глухими отверстиями.

Схема прямого прессования 1 — пуансон, 2 — пресс-порошок, 3 — матрица, 4 -изделие, 5 — матрица

При литьевом способе нагретый до вязкотекучего состояния материал выдавливается через литниковую систему в оформляющую полость, охлаждается или отверждается, а затем изделие извлекается.

Трансферная технология лишена недостатков компрессинного метода, она позволяет делать изделия сложной конфигурации. Кроме того, быстрое охлаждение (вдвое быстрее, чем при прямом методе) обеспечивает лучшие физико-механические и диэлектрические свойства получаемых изделий.

При штранг-прессовании материал выдавливается через специальное приспособление (головку или фильеру). Давление прессования составляет 250—400 Мн/м 2 (2500—4000 кгс/см 2 ), температура в загрузочной камере 65—80 °С . Процесс носит непрерывный характер за счёт того, что оставшийся в фильере полимер «сваривается» с новой порцией поступающего в неё сырья.

Какие изделия получают прессованием

При обработке металлов получают изделия:

простой формы (круг, квадрат и др.) из низкопластичных сплавов;
сложной конфигурации, которые невозможно произвести с помощью других видов пластической деформации.

Преобладающую долю прессованных изделий из металла составляют замкнутые профили сложной формы: трубы, прутки и т.п.

Прямым прессованием обычно получают толстостенные изделия сложной конфигурации, а также листы, блоки и т.п. В дальнейшем их нередко подвергают механической обработке. Литьевое и профильное прессование позволяют производить изделия сложной формы.

Полимерные изделия, полученные путём прессования, получили самое широкое применение во всех сферах деятельности: они используются в бытовой технике и медицинских приборах, из них делают профили для окон и мебели, упаковку и канцелярские принадлежности, а также множество других изделий, используемых в промышленности и для повседневных нужд. Кстати, в прошлой статье мы рассказали про изготовление деталей из металла по чертежам заказчика — тоже один из самых сложных увлекательных процессов.

Рассчитайте свой заказ

Отправьте нам чертеж или описание на [email protected] или заполните форму и мы рассчитаем стоимость и сроки выполнения заказа

Анатомика

Оставьте свой номер телефона и наш специалист свяжется с вами в ближайшее время

Прессование металла

Сущность процесса прессования заключается в выдавливании металла , заключенного в замкнутую полость, через отверстие меньшего сечения, чем площадь сечения исходного металла. Прессование применяют для изготовления прутков, труб и изделий сложных профилей. Наружные размеры и форма каждого профиля определяются размерами и формой отверстия матрицы ( рис. 127 ), а внутренняя — формой и наружными размерами иглы 4.

Рис. 127. Схема прессования: а — по прямому методу; б — по обратному; в — трубы; г — профиля, полученные прессованием.

При прессовании заготовку помещают в контейнер 2, с одной стороны которого установлена матрица 5, через отверстие матрицы с помощью пуансона 1 выдавливается металл заготовки. Профиль получаемой продукции при работе на данной матрице будет постоянным на всей длине.

При движении пуансона с некоторой скоростью, называемой скоростью прессования, металл из матрицы будет выходить со скоростью истечения во столько раз большей, во сколько площадь поперечного сечения контейнера будет больше площади отверстия в матрице.

Прессованию подвергают алюминий, медь и их сплавы, а также цинк, олово, свинец и др. Для прессования стальных профилей исходным металлом служат специально подготовленные заготовки. Процесс прессования осуществляется при температурах горячей обработки. Прессование осуществляется почти исключительно на гидравлических, горизонтальных прессах. Усилие применяемых для прессования прессов достигает 15 000 Т.

Применяют два метода прессования — прямой ( рис. 127, а ) и обратный ( рис. 127, б ). При прямом методе прессования течение металла совпадает с направлением движения пуансона; при обратном методе прессования металл течет навстречу направлению движения пуансона.При прессовании по прямому методу затрачивается большее усилие, чем при прессовании по обратному методу, так как в этом случае оно расходуется на выдавливание металла и на преодоление трения металла о внутренние стенки контейнера. При обратном методе прессования смещение исходного металла относительно внутренних Стенок контейнера не происходит, а потому усилие расходуется только на выдавливание металла через отверстие матрицы.

При обоих методах прессования имеет место отход металла на прессование: при прямом методе 12 — 15%, при обратном 5 — 6% от веса слитка, получающийся вследствие того, что полностью выдавить из контейнера заложенный в него металл невозможно. Пресс-остаток при обратном методе прессования всегда меньше пресс-остатка, получакщегося при прямом методе. Однако обратный метод получил ограниченное применение из-за сложности конструкции пуансона, который оказывает влияние на конструкцию пресса.

При прессовании труб ( рис. 127, в ) заготовка должна иметь сквозное отверстие. Это отверстие может быть получено на другом прессе, но также может быть прошито и на том же прессе, на котором осуществляется сам процесс прессования.

Особое внимание при прессовании уделяют нагреву металла и очистке его от окалины, так как заготовки с окалиной резко снижают стойкость матриц. Прессованием можно получить трубы, прутки простых профилей, а также разнообразные профили ( рис. 127, г ).

К достоинствам метода прессования можно отнести:

более высокую точность профилей, по сравнению с аналогичными профилями, получаемыми при прокатке;
возможность избежать малопроизводительных отделочных операций;
высокую производительность;
возможность получения сложных профилей.

Наряду с достоинствами у прессования есть и существенные недостатки: значительный износ инструмента, большой отход металла, особенно припрессовании труб большого диаметра.

Основные способы прессования

Разработанные способы прессования порошков позволяют получать продукцию, начиная от готовых изделий и кончая заготовками любой формы и размеров.

Основными способами формования изделий из металлических порошков являются:

прессование в пресс-формах;
изостатическое прессование;
прокатка порошков;
мундштучное прессование;
шликерное формование;
динамическое прессование.

Прессование в пресс-формах

Прессование в пресс-формах наиболее распространено в связи с тем, что оно обеспечивает получение деталей, которые практически не подвергаются механической обработке.

Прессование в пресс-формах может быть односторонним и двухсторонним. Одностороннее прессование применяется при изготовлении изделий простой конфигурации, у которых отношение длины или высоты к диаметру или толщине не превышает 3.

Размеры прессуемого изделия в направлении, перпендикулярном направле6нию прессования, определяются размерами полости пресс-формы и являются для данной пресс-формы стабильными. Размер в направлении прессования (по высоте) может меняться при каждом очередном прессовании.

Получение изделия заданной высоты можно обеспечить либо прессованием с использованием ограничителей высоты (так называемое прессование до упора), когда ход плунжера пресса ограничивается специальными ограничителями, либо путем контроля давления прессования по индикатору или манометру. Прессование до упора обеспечивает высокую производительность и получение изделий с размерами, которые зависят от колебаний характеристик порошка вследствие влияния последних на упругое последействие. Метод прессования по давлению основывается на наличии точного соответствия между приложенным давлением и плотностью спрессованного брикета для каждого сорта порошка.

Операция прессования из-за специфических особенностей накладывает ограничения на форму и размеры прессуемых изделий. Например, невозможно получить изделия с боковыми впадинами, которые приходится изготавливать дополнительной механической обработкой. Отверстия, перпендикулярные направлению прессования, необходимо высверливать после операций прессования и спекания.

Наиболее распространенными видами брака спрессованных брикетов являются расслойные трещины (расслой) и осыпание граней. Причинами расслоя являются неправильный режим прессования (высокое давление прессования при использовании непластичных порошков с большим упругим последействием), неправильная конструкция пресс-формы и плохо обработанные стенки её, неравномерная засыпка шихты в полость матрицы и другие факторы.

При горячем прессовании используются графитовые пресс-формы или пресс-формы из жаропрочных сталей. В этом случае процесс прессования обычно совмещается со спеканием, так как применяемые температуры горячего прессования составляют 0,5 – 0,8 от Т_пл. основного компонента смеси.

Изостатическое прессование

Изостатическим называют прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью, прессование называют гидростатическим, а если газом – газостатическим.

При гидростатическом прессовании порошок засыпается в резиновую оболочку, помещают её в рабочую камеру гидростата, в которой создают требуемое давление жидкостью с помощью насоса высокого давления.

В качестве жидкости может использоваться масло, вода, глицерин. При этом виде прессования почти отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, так как те из них, которые прилегают к оболочке, перемещаются вместе с ней. Равенство и равномерность сжимающих усилий во всех направлениях приводит к тому, что боковое давление равно единице. Плотность различных участков получаемой прессовки практически одинаково.

Порошок, находящийся в оболочке, до приложения к нему давления подвергают вибрации для обеспечения равномерной плотности засыпки и дегазации, так как воздух, имеющийся в порах засыпки, будет препятствовать уплотнению.

Гидростатическим прессованием получают цилиндры, трубы, шары и другие изделия. К недостаткам гидростатического прессования следует отнести трудности получения брикетов размерами близкими к заданным и необходимость применения механической обработки при изготовлении изделий точных форм и размеров, а также низкую производительность процесса.

Газостатическое прессование пока не получило широкого распространения из-за сложности конструкций прессующих устройств. Оно может проводится при комнатной температуре или при повышенных температурах. Прессование при высоких температурах совмещается с процессом спекания и позволяет получать изделия практически любых материалов с относительной плотностью, близкой к теоретической.

Прокатка порошков

Прокатка металлических порошков представляет собой формование в прокатном стане. Сущность метода прокатки заключается в подаче порошка в зазор между двумя вращающимися навстречу один другому валками.

Силами внешнего трения порошок увлекается в зазор и уплотняется в изделие достаточной прочности, обеспечивающей транспортировку его на спекание. Поступление порошка в валки может быть свободным, когда он поступает в очаг деформации под действием собственной массы, и под давлением, когда порошок в валки подаётся принудительно, с помощью специальных устройств. Например, подача порошка в валки с помощью шнекового устройства, когда давление подпора порошка в очаге деформации создается за счет разности производительности шнека и пропускной способности валков.

Толщина и плотность заготовки зависят от химического и гранулометрического состава порошка, формы его частиц, давления порошка на валки, состояния поверхности валков и других факторов. При прокатке каждая частица в зависимости от усилия прессования и формы частиц будет иметь разную степень деформации и различную плотность. Частицы шаровой формы будут меньше деформироваться, чем частицы дендритной или игольчатой формы и заготовка из этих частиц будет иметь меньшую плотность. Кроме того, заготовка из частиц с сильно развитой поверхностью обладает повышенной плотностью.

Процесс прокатки порошка от начала поступления его в валки и до выхода из валков делится на три периода. В первый период, который называется начальным неустановившемся, заготовка имеет переменные толщину и плотность, так как плотность порошка, заполняющего зону деформации, изменяется по высоте. При вращении валков в зазор между ними увлекаются деформируемые частицы порошка, которые вызывают расклинивающее действие, а в очаг деформации поступают новые порции порошка. Когда процесс вовлечения и прессования порошка уравновешивается сопротивлением стана упругим деформациям, наступает второй период, называемый установившимся периодом прокатки, в котором выходящая из валков заготовки имеет постоянную плотность. В третьем периоде, называемым нестационарным, происходят обратные явления в связи с разгрузкой валков стана.

В начальном и конечном периодах параллельно с изменением плотности изменяется давление порошка на валки и в результате упругой деформации стана изменяется толщина заготовки. В связи с этим при прокатке порошков стремятся к максимальному сокращению длительности этих периодов, а концевые участки заготовок подлежат обрезке, так как они обычно неоднородны по плотности.

Порошок можно прокатывать в холодном или горячем состоянии. Прокатка при комнатной температуре наиболее проста, но менее эффективна, чем прокатка подогретого порошка.

Заготовки после прокатки обычно спекают в печах непрерывного действия в защитной атмосфере.
В некоторых случаях после спекания применяют ещё одну или несколько повторных уплотняющих прокаток и спеканий, обеспечивающих получение заготовки с заданными свойствами. При одновременной прокатке нескольких порошков, различающихся по свойствам металлов, или порошка и листового металла получают многослойный прокат.

Прокатка металлических порошков применяется для получения заготовок конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных изделий (лента, листы, проволока и др.), а также в производстве фильтров и других пористых изделий для очистки разных сред.

Мундштучное прессование

Мундштучным прессованием называют формование заготовок путем продавливания смеси порошка с пластификатором через отверстие в матрице.

При мундштучном прессовании можно продавливать через мундштук либо смесь порошка со связкой, либо предварительно спрессованную заготовку, которую перед продавливанием подогревают.

В качестве пластификатора применяют парафин, поливиниловый спирт, крахмал, бакелит. Мундштучное прессование эффективно при производстве прутков, труб, уголков и других больших по длине изделий из плохо прессуемых материалов, в том числе тугоплавких металлов и соединений, твердых сплавов и других.

Шликерное формование

Шликерное формование является способом изготовления изделий путём заливки шликера, представляющего собой однородную концентрированную взвесь порошка в жидкости, в пористую форму с последующей сушкой. При этом процесс формования совершается без приложения внешнего давления. Иногда этот процесс формования называют шликерным литьём.

Для приготовления шликера используют очень мелкие порошки, взвесь которых в жидкости (растворы на основе воды и спирта) однородна и устойчива в течение длительного времени. Шликер содержит некоторое количество добавок (кислоты, щелочи, различные соли), препятствующих скапливанию частиц и улучшающих смачивание частиц порошка и стенок формы жидкостью.

Форму для шликерного формования изготавливают из гипса, пористой керамики, нержавеющей стали и других подобных материалов.

Заготовку получают путем заливки шликера во влагопоглощающую форму, жидкость из которой удаляется через поры. Механизм формования заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных потоков жидкости. Потоки возникают в результате впитывания жидкости в поры формы под влиянием разрежения или под воздействием центробежных сил при центробежном шликерном формовании.

Скорость наращивания твердого слоя зависит от скорости удаления жидкости, размера частиц, соотношения между твердой и жидкой фазами в шликере, температуры, количества добавок. Связь между частицами обусловлена в основном механическом зацеплением.

Полученная заготовка извлекается из формы и подвергается сушке и спеканию. Для облегчения удаления заготовки внутреннюю поверхность формы покрывают тонким слоем специального вещества (мыло, графит, бумага, тальк), препятствующего схватыванию с формируемым материалом.

Изделия, полученные шликерным формованием, вследствие большой исходной пористости, которая может достигать 60%, при спекании дают значительную усадку. Однако плотность изделий после спекания получается достаточно большой и равномерной по объёму.

Методом шликерного формования изготавливают изделия сложных форм (трубы, тигли, турбинные лопатки и др.), которые трудно получить традиционными методами прессования, особенно в случае уплотнения хрупких порошкообразных материалов.

Динамическое формование

Динамическое формование представляет собой процесс прессования с использованием импульсных нагрузок или вибрации. Отличительной чертой такого формования является высокая скорость приложения нагрузки к уплотняемому порошку. В связи с этим его часто называют высокоскоростным.

В качестве источника энергии используют энергию взрыва заряда взрывчатого вещества, ударную волну высокой интенсивности, возникающую при разряде аккумулированной электрической энергии и воздействующую на материал через жидкость, энергию сжатого газа, вибрацию.

При взрывном формовании энергия взрыва сообщает определенную скорость устройству, ударяющему по прессующему пуансону, либо передается на прессуемый порошок через жидкость, либо воздействует на прессуемый порошок, заключенный в эластичную оболочку или тонкостенный металлический контейнер. Такой высокоскоростной вид прессования приводит к выделению тепла и нагреву контактных межчастичных участков, что облегчает процесс деформирования. В результате плотность заготовок достигает большего значения, чем при обычных методах прессования низкоскоростными нагрузками.

Разновидностью динамического формования является динамическое горячее прессование (метод ДГП). Метод основан на предварительном холодном формовании пористой заготовки из порошковой шихты заданного состава, её последующем кратковременном нагреве и допрессовки динамическими нагрузками. Этот метод позволяет получать практически беспористые изделия точных размеров и с высокой чистотой поверхности.

При вибрационном формовании используется эффект благоприятного воздействия вибрации на процесс уплотнения, что связано с разрушением межчастичных связей и улучшением взаимоподвижности частиц. В результате достигается плотная укладка частиц при меньших давлениях прессования и обеспечивается высокая равномерность распределения плотности по объёму заготовки.

Энергия вибрирования расходуется на преодоление инерции и упругого сопротивления вибрирующей системы и на преодоление инерции, сил трения и сцепления уплотняемого порошка. В случае уплотнения порошка небольшой массы основную роль играют инерция и упругие свойства системы. Поэтому для обеспечения наиболее выгодного режима уплотнения следует выбирать частоту вибрирования ближе к собственной частоте колебаний системы. При уплотнении больших масс порошка основную роль будут играть собственная частота колебаний слоя частиц и силы связи между ними. Поэтому частоту вибрирования выбирают ближе к резонансной или по отношению к вибрирующей системе, или по отношению к уплотняемой массе порошка. При правильном выборе частоты, ускорения и амплитуды вибрирования плотность и прочность прессовок выше, чем при статическом прессовании.

Во всех случаях, требующих высоких давлений при статическом прессовании применение вибрирования будет выгодным. Наиболее эффективно применение вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких металлов, к которым высокие статические давления не могут быть приложены из-за происходящего при этом разрушения брикетов.

Общие закономерности процесса прессования

Прессование представляет собой формирование металлического порошка путём приложения давления к порошку, находящемуся в закрытой форме или оболочке. Основные закономерности процесса прессования рассмотрены на примере формования простейшей заготовки в стальной прессформе.

При формовании в собранную и установленную на плиту пресса прессформу засыпается порция порошковой смеси и устанавливается пуансон, через который от пресса на порошковую смесь передается соответствующее давление и под действием усилия начальный объём сыпучей порошковой смеси уменьшается, происходит деформирование её и формируется брикет, называемый прессовкой, заданной формы и размеров. После выдержки при заданном давлении нагрузка снимается и спрессованная заготовка выталкивается из пресс-формы. Прессование в закрытых пресс-формах может быть односторонним, когда усилие прессования прикладывается к одной из торцовых поверхностей будущей прессовки или двухсторонним – при приложении усилия прессования с двух сторон.

Изменение объёма порошковой массы происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот, образовавшихся при свободной насыпке порошка, при которой частицы в полости пресс-формы располагаются хаотически, образуя так называемые мостики или арки.

Для пластичных металлов деформация вначале ограниченна приконтактными участками малой площади, а затем распространяется в глубь частиц. В случае хрупких материалов деформация проявляется в разрушении и дроблении выступов на поверхности частиц.

При прессовании увеличение плотности прессуемого порошка происходит неравномерно. Кривая процесса уплотнения порошка имеет несколько характерных участков. На первом этапе прессования наибольшее повышение усилия прессования вызывает значительное увеличения плотности прессуемого порошка. При дальнейшем повышении усилия прессования значительного увеличения плотности заготовки не происходит. Это объясняется тем, что в начальной стадии прессования плотность засыпанного порошка равна его насыпной массе, и при приложении даже незначительного усилия прессования приводит к резкому повышению плотности. По мере увеличения плотности и усилия прессования происходит разрушение мостиков и арок, проникновение частиц в поры, перемещение неблагоприятно расположенных частиц в более благоприятные места. Большая часть усилия прессования на этом участке затрачивается на преодоление трения частиц порошка о стенки пресс-формы.
По мере увеличения усилия прессования происходит качественное и количественное изменение границ между частицами. За счет трения между частицами при их смещении относительно друг друга контактные поверхности несколько сглаживаются, окисные пленки снимаются, контакты между частицами в этих местах из неметаллических переходят в металлические. Сближение частиц, а также качественное изменение контактных поверхностей приводит к появлению сил межатомного взаимодействия, в результате чего сопротивляемость порошка внешнему воздействию увеличиваются и повышение плотности прессовок затормаживается.

Прессование при очень больших усилиях вызывает хрупкое разрушение частиц порошков из твердых материалов и пластическую деформацию частиц из мягких металлов. Работа прессования на этом этапе в основном затрачивается на деформацию и разрушение частиц. Нарастание уплотнения прессовок с увеличением давления происходит медленно и постепенно прекращается.

При прессовании различных материалов величина давления, необходимого для достижения определенной плотности прессовок, будет различной. Чем пластичнее материал порошка, тем при более низких давлениях начинается уплотнение порошков за счет деформации частиц.

В реальных условиях в процессе прессования происходит наложение указанных стадий уплотнения, протекающих практически одновременно. Так, деформация некоторых частиц начинается уже при малых давлениях и в то же время движение отдельных частиц имеет место при значительных нагрузках.

Перемещение частиц порошка, происходящее при прессовании, приводит к возникновению давления на стенки пресс-формы называемом боковым. Оно значительно меньше приложенного к порошку давления из-за трения между частицами и других факторов, затрудняющих смещение частиц. Между боковым давлением и давлением прессования существует прямая пропорциональная зависимость. Показатель, соответствующий их отношению, называется коэффициентом бокового давления, величина которого может составлять 25 – 40%. Величина его зависит от плотности прессовки, а также физических характеристик порошка (пластичность, дисперсность и форма зерен). Боковое давление изменяется по высоте прессуемых брикетов из-за сил трения, возникающих между движущимися частицами порошка и стенками пресс-формы. Это явление называется внешним трением. Часть давления прессования тратится на его преодоление, происходит уменьшение усилия прессования по высоте брикета. Следовательно, уменьшается и боковое давление. Потери усилия прессования на внешнее трение зависит от коэффициента трения в паре материал порошка – материал пресс-формы, качества обработки стенок пресс-формы, наличия смазки, высоты засыпки порошка и размера поперечного сечения пресс-формы. С наличием внешнего трения связано неравномерное распределение плотности в объёме прессовки. Плотность падает по высоте брикета в направлении прессования по мере уменьшения усилия из-за потерь на преодоление внешнего трения.

Одним из способов уменьшения внешнего трения и повышения плотности брикета является применение смазки при прессовании. Используемые смазки могут быть активными и инертными.

Активные смазки изменяют физико-механические свойства порошковых частиц, понижают прочность поверхностных слоев частиц, что облегчает их деформирование и способствует уплотнению. Инертные смазки не оказывают какого-либо воздействия на материал порошка, но способствуют уменьшению сил трения.

В качестве смазок чаще всего используют стеариновую кислоту и её соли, парафин, олеиновую кислоту, глицерин, камфору и другие вещества.

После прессования для удаления брикета из прессформ необходимо приложить некоторое усилие, которое называется давлением выталкивания. Оно пропорционально давлению прессования и упругих свойств материала порошка. Возникновение его связано с самопроизвольным увеличением размеров прессовки при снятии с неё давления в результате действия внутренних напряжений, возникающих в процессе уплотнения порошка. Это явление носит название упругого последействия и имеет место и после выпрессовки брикета из прессформ даже в течение некоторого времени.

Величина упругого последействия зависит от дисперсности порошка, формы и состояния поверхности частиц, механических свойств материала, давления прессования, смазки, упругих свойств пресс-формы и других факторов.
В направлении прессования упругое последействие всегда больше, чем в поперечном направлении, так как усилие прессование всегда больше бокового давления.

Упругое последействие у брикетов из порошков хрупких и твердых металлов больше, чем у брикетов из мягких и пластичных порошков. Это объясняется тем, что при одном и том же давлении прессования прочность прессовки из более твердых материалов меньше и роль упругой деформации для них возрастает по сравнению с пластической.

Прессование металлических порошков

Прессование металлических порошков представляет собой технологическую операцию, в результате которой под действием приложенного усилия из бесформенного сыпучего порошка получается прочное тело – прессовка по форме и размерам близкая форме и размерам готового изделия.

Сложность явлений, сопровождающих уплотнение порошка и многообразие требований к свойствам готовых изделий вызывают необходимость проведения специальных операций по подготовке порошка к формованию.

Основными операциями при подготовке порошков к прессованию являются:

отжиг;
классификация (рассев);
смешивание.

Отжиг

Этот вид обработки порошков применяют с целью повышения их пластичности, улучшения прессуемости и формуемости. При отжиге снимается наклеп, происходит восстановление оксидов, оставшихся при получении порошка или образовавшихся в результате окисления металла при хранении порошка.

Чаще всего отжигу подвергают порошки, полученные механическим измельчением твердых материалов. Такие порошки содержат значительные количества оксидов, растворенных газов и наиболее наклепаны.

Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или вакуум) при температуре порядка 0,4 – 0,6 температуры плавления металла в проходных или других печах, идентичных используемым при восстановлении и спекании. Для более тщательной очистки порошков от различных примесей часто используют атмосферы с галогенсодержащими добавками. Так, отжиг железного порошка в атмосфере смеси водорода с хлористым водородом приводят к получению порошков, более чистых по кремнию и марганцу, так как наличие хлористого водорода способствует образованию легко испаряющихся хлоридов кремния и марганца.

Классификация

Под классификацией понимают разделение порошков по величине частиц на фракции, используемые затем либо непосредственно для формования, либо для составления смеси, содержащей требуемый процент частиц нужного размера.

Классификация порошков осуществляется обычно в аппаратах, применяемых в химическом производстве и обогатительном деле. В практике порошковой металлургии чаще всего применяют ситовую классификацию порошков. Для этого используют различные типы сит, основными из которых являются помещаемые в кожух с вытяжной вентиляцией механические сита с электромагнитным или рычажным вибраторами. Сетки изготавливают из бронзовой или латунной проволок, шелка или капрона с размером ячеек, аналогичным тем, которые применяются в ситовом анализе.

Часто для классификации порошков применяют многодечные механические вибросита, в которых движение сетчатых дек осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу.
При затруднении свободного просева порошка используют протирочные ситовые устройства, в которых специальное приспособление с небольшим усилием давит на порошок, способствуя его проходу через сетку.

Классификация порошков с размером частиц менее 40 – 50 мкм осуществляют с помощью воздушных сепараторов, обеспечивающих высаживание твердых частиц из несущего газового потока под действием на них силы тяжести.

В воздушном сепараторе разделяемый материал в потоке газа поступает в кольцевое пространство, скорость потока в котором снижается в несколько раз, и крупные частицы под действием силы тяжести выпадают и удаляются через патрубок. Воздушный поток далее проходит через тангенциально установленные лопатки, приобретая вращательное движение. Более крупные частицы под действием центробежных сил отбрасываются на стенки корпуса сепаратора, опускаются по ним и выводятся через другой патрубок. Мелкие частицы с газовым потоком поступают в циклон, где происходит их выделение.

Очень эффективными аппаратами для разделения порошков являются циклоны-сепараторы. В корпус циклона по касательной к окружности вводят газовый поток, содержащий твердые частицы, который приобретает вращательное движение. На каждую частицу действуют сила тяжести, увлекающая её вниз, центробежная сила, выталкивающая частицу в радиальном направлении и сила давления потока, заставляющая частицу двигаться по окружности. В итоге частицы движутся по спирали и, достигнув стенки корпуса, перемещаются по конусу к выпускному штуцеру. Мелкие частицы выносятся из циклона и могут быть выделены в следующем циклоне. Работа воздушных сепараторов регулируется изменением скорости газового потока. Производительность циклонов-сепараторов очень высока, а конструкция достаточна проста.

Смешивание порошков

Смешивание является одной из важных операций при изготовлении материалов и изделий из порошков. Оно заключается в приготовлении однородной механической смеси из порошков различного химического и гранулометрического состава. Задачи смешивания – превращение совокупности частиц твердых компонентов в макрооднородную смесь.

Результат смешивания определяется формой и величиной частиц, числом смешиваемых компонентов и соотношением их количеств, коэффициентом трения между частицами, способностью частиц к слипанию и другими факторами.

Наиболее распространенным является механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах, аналогичных применяемым при размоле, и смесителях различных типов. При смешивании в шаровой мельнице смешивание сопровождается одновременным измельчением компонентов. Если измельчение при смешивании нежелательно, используют смесители различных типов. Это могут быть барабанные, в том числе так называемые «пьяные бочки», применение которых в настоящее время ограниченно из-за их недостаточной эффективности, шнековые, лопастные, центробежные, планетарные, конусные и установки непрерывного действия. Широкое применение нашли двухконусные смесители.

Смешивание в лопастных или шнековых смесителях проводят при приготовлении пастообразных смесей. Такие смесители эффективны при добавке к порошку различных веществ, улучшающих процесс прессования, например раствора каучука в бензине, парафина или его раствора в бензине.
Для улучшения смешивания разнородных компонентов используют планетарные смесители которые представляют собой емкость, совершающую вращение в трех измерениях, создавая вихревое кружение находящихся в ней компонентов. Качально-трясущееся движение сосуда приводит к чередованию ускорения и замедления в процессе перемешивания частиц, что способствует быстрому и качественному перемешиванию разнородных материалов.

Смешивание порошков может осуществляться в газовой (воздух, инертный газ) или в жидкой (вода, спирт, бензин и др.) средах. В жидкой среде смешивание происходит значительно интенсивнее, чем в газовой. Это объясняется тем, что ввод жидкости в смесь способствует созданию повышенного давления в тонких щелях частиц за счет действия капиллярных сил и распространению трещин в частицах, что приводит к доизмельчению компонентов. Однако, следует иметь в виду, что применение так называемого мокрого смешивания не всегда экономически выгодно. Например, использование воды в качестве жидкой среды вызывает необходимость применения сушки в защитной атмосфере или проведения дополнительного восстановительного обжига из-за возможности окисления металлических порошков. Это ведет к усложнению технологии и повышает себестоимость продукции.

При смешивании компонентов с резко различающимися плотностями используют особые приемы. Например, применяют раздельную загрузку компонентов по частям, перемешивая сначала более легкие с более тяжелым компонентом, а затем к такой смеси добавляют остальные компоненты. В некоторых случаях хорошие результаты достигаются при перемешивании разноплотных компонентов в вакууме. В этом случае поведение компонентов не зависит от их плотности и частицы внутри смесителя движутся с одинаковыми скоростями, что обеспечивает высокую равномерность объёмного распределения компонентов в смеси.

В случае плохих технологических характеристик смеси (низкая текучесть, прессуемость) её подвергают грануляции, под которой понимают операцию образования устойчивых комочков сфероидальной формы, состоящих из сравнительно большого числа частиц.

Для улучшения прессуемости и грануляции порошков при смешивании в смеситель вводят пластифицирующие добавки (растворы в органических жидкостях парафина, воска, каучука и др.), которые обволакивают частицы и при прессовании создают дополнительную прочность прессовок, облегчая их трение между стенками пресс-формы и самими частицами. Кроме присадок, улучшающих процесс прессования, в смесь могут вводится добавки, формирующие те или иные свойства прессовок. Например, поризаторы, обеспечивающие высокую пористость изделий.

Результаты смешивания контролируют либо по физико-технологическим свойствам шихты, определяя гранулометрический состав, насыпную массу, текучесть, прессуемость, либо химическим анализом проб. На практике обычно контролируют часть технологических характеристик смеси и проводят химический анализ проб из неё.

Читайте также: