» » Традиционный метод порошковой металлургии: холодное прессование - спекание
15.01.2016

При традиционной технологии порошковой металлургии сначала методом холодного прессования получают заготовку, которая обладает достаточной технологической прочностью, т.е. не разрушается при последующих операциях. Дальнейшее уплотнение и упрочнение заготовки осуществляют путем ее спекания при повышенной температуре в соответствующей среде.
Прессование представляет собой формование металлического порошка в пресс-форме под воздействием давления.
Контактные давления, поскольку начальные поверхности соприкосновения малы (0,001—0,01 % от общей поверхности контактирующих частиц), достигают высоких значений, при которых возникают пластические деформации либо местные разрушения.
Сущность процесса прессования порошка заключается в уменьшении его начального объема в результате заполнения пустот между частицами за счет их смещения и пластической деформации.
Холодное прессование протекает в несколько стадий. На первой стадии уплотнение происходит в результате перемещения частиц с разрушением возникающих между частицами арок. Вторая стадия сопровождается упругой деформацией максимально плотно упакованных частиц порошка при практически неизменной плотности прессовки. Дальнейшее увеличение давления прессования на третьей стадии приводит к уплотнению прессовки в результате пластической деформации частиц порошка. Наблюдающийся при этом наклеп ограничивает окончательную плотность заготовки, которая может быть достигнута при данном давлении. Механическое зацепление и холодная сварка частиц являются результатом сдвиговых деформаций в поверхностном слое, вследствие чего порошки неправильной формы легче поддаются компактированию, чем сферические.
Частицы быстрозакаленных порошков жаропрочных сплавов обычно имеют сферическую форму, высокие твердость и предел текучести, что затрудняет их компактирование. Несмотря на значительную пластическую деформацию при холодном изостатическом (гидростатическом) прессовании порошков жаропрочных сплавов, их формирование этим способом невозможно из-за отсутствия поверхностных деформаций сдвига.
С целью повышения прессуемости сферические гранулы могут подвергаться специальной обработке — механоактивации, в частности обработке в высокоскоростном газовом потоке (хладоструйное измельчение).
Хладоструйный процесс разработан для производства легированных порошков с низким содержанием примесей внедрения, обладающих повышенными прессуемостью и активностью при спекании. Исходные сферические гранулы, полученные при распылении расплава аргоном, подаются в высокоскоростной воздушный поток, в котором ускоряются и разрушаются при соударении с поверхностью мишени, выполненной из твердого сплава. В процессе механического измельчения частицы принимают осколочную форму. Полученные таким способом порошки имеют хорошую прессуемость, например порошок сплава Х40 на основе кобальта удается спрессовать при давлении 560 МПа и спечь до плотности, составляющей 96 % от теоретической, в водороде при 1260 °С. Для повышения чистоты получаемого при хладоструйном процессе порошка необходимо осуществлять весь процесс в инертной среде.
Таким образом, физические характеристики порошка: размер и форма частиц, дефектность кристаллической структуры — оказывают сильное влияние на насыпную плотность, прессуемость. С повышением дисперсности порошка увеличивается давление, необходимое для получения прессовки заданной плотности.
Порошок в пресс-форме в процессе уплотнения ведет себя аналогично жидкости и растекается в стороны, в результате чего возникает давление на стенки пресс-формы, которое называют боковым.
В отличие от жидкости, равномерно передающей приложенное к ней давление во всех направлениях, в порошке наблюдается значительная неравномерность его распределения. В результате степень сжатия порошка в различных сечениях неодинакова, на боковые стенки пресс-формы передается значительно меньшее давление, чем в направлении прессования, в основном из-за трения между частицами, заклинивания и других факторов, затрудняющих перемещение частиц в стороны.
В связи с этим важной величиной является коэффициент бокового давления, представляющий собой отношение бокового (горизонтального) давления, т.е. давления порошка на единицу поверхности стенки пресс-формы, к давлению прессования.
Боковое давление уменьшается по высоте прессуемых брикетов, так как силы трения, возникающие между переметающимися частицами порошка и стенками пресс-формы, уменьшают осевое давление прессования.
Неоднородное распределение плотности по объему компактной заготовки обусловлено трением порошка о контактирующие с ним поверхности элементов пресс-формы. Неравномерная плотность брикета может приводить к искажению формы и размеров заготовки при спекании, а также способствовать нежелательному изменению свойств при спекании.
Затраты усилия прессования на преодоление внешнего трения прямо пропорциональны высоте брикета и обратно пропорциональны его диаметру. Потерн давления на преодоление сил трения между частицами порошков и стенками пресс-формы могут составлять 60—90% от усилия прессования.
Межчастичное трение, коэффициент которого может в несколько раз превосходить коэффициент внешнего трения, при прессовании играет определенную роль, так как на его преодоление также затрачивается работа прессования. Практическим следствием проявления межчастичного трения является затрудненность течения порошка под прямым углом к направлению прессования, в связи с чем прессование изделий, профиль которых в направлении прессования изменяется, затруднено, а часто вообще невозможно.
Внешнее трение прессуемого порошка о стенки пресс-формы определяет усилие, необходимое для выталкивания брикета после его формования и называемое давлением выталкивания. Оно пропорционально давлению прессования и зависит от коэффициента внешнего трения и коэффициента Пуассона прессуемого порошка. Обычно давление выталкивания составляет 0,2—0,35 от давления прессования и возрастает с увеличением высоты прессуемого брикета и уменьшением площади поперечного сечения.
Увеличение размера прессовки при снятии давления прессования, а также при выпрессовывании брикета называют упругим последействием.
Упругое последействие у брикетов из порошков хрупких и твердых материалов больше, чем у брикетов из пластичных металлических порошков, так как при одном и том же давлении прессования прессовки из более твердых материалов характеризуются большей упругой деформацией.
По традиционной технологии порошковой металлургии операция холодного прессования является первой стадией компактирования, в результате которой получают заготовку, обладающую достаточной технологической прочностью. Основная цель компактирования, достигаемая при этом, заключается в устранении пористости и обеспечении прочности межчастичных контактов.
Дальнейшее уплотнение компактной заготовки по традиционной порошковой технологии может быть достигнуто на второй стадии — при спекании, обеспечивающем упрочнение заготовки.
Спекание — технологическая операция нагрева и выдержки порошковой заготовки при высоких гомологических температурах, сопровождаемая увеличением плотности и площади межчастичных контактов.
Движущая сила процесса спекания обусловлена снижением свободной энергии системы, а именно ее поверхностной энергии, И уменьшением энергии дефектов кристаллической структуры в результате протекания процессов возврата и рекристаллизации,
Механизм снижения пористости при спекании диффузионный, осуществляется путем объемной, зернограничной или поверхностной диффузии.
Спекание в присутствии жидкой фазы может иметь место при наличии двух или более фаз с разными температурами плавления. Возможны два варианта процесса:
1. Жидкая фаза присутствует в материале в течение всего времени спекания.
2. Жидкость образуется при нагреве заготовки до температуры спекания и исчезает за счет взаимной диффузии в процессе выдержки при этой температуре. В этом случае имеет место спекание с исчезающей жидкой фазой.
Введение легирующих упрочняющих элементов обычно снижает скорость спекания. Это связано в определенной степени с эффектами поверхностного окисления и понижением способности границ зерен служить стоками вакансий, что приводит к замедлению переноса массы путем ползучести. Снижение скорости спекания, объясняющееся высоким содержанием легирующих элементов в жаропрочных сплавах, затрудняет применение традиционной порошковой технологии для компактирования быстрозакаленных гранул жаропрочных сплавов.
В связи с этим для достижения высокой эффективности компактирования гранул жаропрочных никелевых сплавов применяются технологические схемы металлургии гранул с использованием метода горячего изостатического прессования и других методов горячего компактирования.