Методика выбора рационального технологического варианта эластостатического прессования композиционных слоистых втулок из порошковых материалов

УДК 621.762.4

Методика выбора рационального технологического варианта эластостатического прессования композиционных слоистых втулок из порошковых материалов

П. А. Кузнецов, Т. Т. Нгуен, Ф. А. Демчук

Ключевые слова: биметаллический материал, композиционные слоистые втулки, подшипник скольжения, полиуретан, порошковая металлургия, спекание порошковых слоистых материалов, технологический вариант, эластостатическое прессование.

Слоистыми композициями называются системы, состоящие из чередующихся двух или более компонентов при сохранении индивидуальности каждого из них. К основным способам изготовления композиционных слоистых изделий относятся прокатка, прессование, сварка взрывом, литье, наплавка, пайка, нанесение порошковых покрытий, холодная сварка, ультразвуковая сварка, сварка трением, диффузионная сварка и т. д. [1]. Большинство перечисленных способов используется при изготовлении слоистых пластин, невысоких изделий простой цилиндрической формы. Для изготовления композиционных слоистых втулок чаще всего применяется гидростатическое прессование. Однако гидростаты являются сложным и дорогим оборудованием.

Более простую технологию изготовления слоистых втулок представляет собой эластостатическое прессование (ЭСП), основанное на использовании подвижной среды — эластомера. Сущностью процесса ЭСП является преобразование осевого усилия оборудования (гидропресса) с помощью подвижной эластичной среды во всестороннее давление на окружающий материал.

ЭСП втулок позволяет создать только радиальное давление на порошок как методом раздачи изнутри, так и методом обжима снаружи. Падение давления при прессовании эластичной средой по высоте втулки существенно меньше, чем при аналогичной обработке в жесткой пресс-форме, поэтому при ЭСП можно получать тонкостенные трубчатые изделия из порошков, имеющие большое отношение высоты к толщине стенки, в том числе и слоистые композиционные втулки [2]. На практике легче осуществить эластостати-ческое прессование композиционных слоистых втулок из порошковых материалов по схеме раздачи, показанной на рис. 1.

Процесс ЭСП слоистых композиционных втулок осуществляется следующим образом: порошковые материалы 4 и 5 помещаются в матрицу 3. Засыпка порошковых материалов может производиться одновременно (с использованием перегородки) или последовательно, после прессования предыдущего слоя. Пуансон 1 передает усилие пресса Р в осевом направлении на эластичный стержень 7, который передает давление на порошок в радиальном направлении через сменную втулку 6. Вытеснению порошков 4 и 5 в осевом направлении препятствуют крышка матрицы 2 и основание 8. После снятия давления эластичный стержень 7 и эластичная сменная втулка 6 возвращаются в исходное положение, а спрессованное изделие извлекается из матрицы.

8

Рис. 1. Принципиальная схема эластостатического прессования композиционных слоистых втулок из порошковых материалов

Р

МП^ППООБ^^Ш

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

В зависимости от свойств порошковых материалов в каждом слое, подвергающемся прессованию, параметров их уплотнения и спекания, требуются различные технологические варианты изготовления слоистых композиционных втулок. В данном случае основными можно считать следующие варианты:

• I — совместная послойная засыпка порошков (с использованием перегородки), совместное одновременное прессование и совместное спекание;

• II — засыпка порошка первого слоя и его прессование, последовательная засыпка и прессование следующего слоя, совместное спекание;

• III — прессование и спекание порошкового слоя при более высокой температуре спекания, напрессовывание второго слоя и совместное спекание при температуре спекания материала второго слоя;

• IV — раздельное прессование слоев, раздельное спекание и соединение слоев путем пластической деформации.

Для наглядности описанные технологические варианты ЭСП композиционных слоистых втулок представлены в таблице в виде морфологической матрицы.

Для выбора рационального технологического варианта ЭСП слоистых композиционных материалов необходимо знать следующие исходные данные:

• пористость каждого слоя изделия (Щ, П2);

• температура спекания каждого слоя (Тс1, Тс2); длительность спекания каждого слоя (ti, Т2);

• температура взаимной диффузии между двумя материалами (Тд);

• давление прессования каждого слоя (Р1, Р2).

Укажем основные принципы выбора рационального варианта изготовления слоистых композиционных втулок. Первоначально сравниваются температуры спекания прессуемых порошков, образующих слоистую втулку. Если интервалы возможных температур спекания данных слоев и времени их спекания «пересекаются» (имеют общие значения) Тс1 п Тс2, т n Т2, то слои можно спекать вместе. При невыполнении этих условий слои приходится спекать раздельно и прессовать также по отдельности.

При совместном спекании возможны два варианта, в зависимости от давления необходимых для прессования каждого из порошков. Если значения давления, необходимого для прессования того и другого порошков, приблизительно равны (Р^ « Р2), то их слои можно прессовать в одной матрице совместно. Если для прессования каждого порошка необходимы разные величины давления (Р^ Ф Р2), тогда оба материала нужно прессовать отдельно и, как правило, в разных матрицах.

При раздельном спекании также возможны два варианта. В первом случае сначала спекается слой из материала с более высокой температурой плавления, затем на него напрессовывается порошок соседнего слоя, и они спекаются вместе. Такое возможно, если температура взаимной диффузии двух слоев меньше, чем температуры спекания этих слоев (Тд < min (Тс1, Тс2)). Если данное условие не выполняется (второй случай), то слои прессуются и спекаются раздельно, а затем соединяются, например пластической деформацией (редуцированием, дорнованием).

Морфологическая матрица сравнения технологических вариантов прессования композиционных слоистых втулок

Этап Технологическая операция Вариант

I II III IV

1 Подготовка порошковых материалов Q р

2 Засыпка первого материала / с г с Т_ С f X

3 Засыпка второго материала / / )

4 Совместная засыпка двух материалов Q У f

5 Прессование первого материала \ с ? / > С ? ,

6 Прессование второго материала \ ) / с ) ;

7 Совместное прессование двух материалов ъ /

8 Спекание первого материала / г * f

9 Спекание второго материала / / г \ С )

10 Совместное спекание двух материалов СГ с { с ) V

11 Соединение спеченных слоев пластическим деформированием \ / /

12 Химико-термическая обработка сС d

13 Калибрование слоистого изделия ОТ СГ

14 Контроль

[26

№ 6 (54)/2009

Исходные данные: П П2; Тс1, Тс2; ц, х2; Тд Рь Р2

Cовместное прессование слоев Последовательное прессование слоев Напрессовка порошка на спеченный материал Раздельное прессование слоев

1 1 II

Вариант I Вариант II Вариант III Вариант IV

II II

Проектирование техпроцесса

Рис. 2. Блок-схема выбора рационального технологического варианта

Указанные критерии положены в основу блок-схемы выбора рационального технологического варианта эластостатического прессования композиционных слоистых втулок из порошковых материалов (рис. 2). Руководствуясь требованиями чертежа и учитывая выбранные параметры технологического процесса, можно рассчитать размеры камеры засыпки, массу порошков, усилие пресса и другие технологические параметры по методике, описанной в работе [3].

Плотность рабочего (внутреннего) слоя рекомендуется доводить до 0,80. Уплотнение этого порошка подчиняется зависимости р = 2,18 + + 1,972Р0'155, где р — плотность прессуемого

слоя, г/см3; Р — давление прессования, МПа.

Рис. 3. Образцы слоистых втулок, изготовленных из порошков АНС 100.29 и БрОГр2

Толщина рабочего слоя — 2 мм. Наружный слой подшипника изготавливается из порошка железа АНС 100.29. Плотность наружного слоя подшипника — 0,85, толщина наружного слоя 3 мм, уплотнение порошка подчиняется зависимости р = 3,06 + 0,380Р°'356.

Чтобы выбрать рациональный технологический вариант воспользуемся блок-схемой (см. рис. 2). Сравним температуры спекания прессуемых слоев. Интервалы температур спекания порошков внутреннего и наружного слоев составляют 700-950 и 900-1150 °С соответственно. Данные интервалы температур спекания пересекаются, следовательно, спрессованные слои можно спекать совместно при температуре 900-950 °С. Расчет давления прессования, необходимого для достижения требуемой плотности, показывает, что для прессования внутреннего слоя Р = 280 МПа, а для наружного слоя — Р = 560 МПа. Так как давления отличаются, то в соответствии с блок-схемой выбираем технологический вариант II, при котором слои прессуются последовательно и раздельно, а спекаются совместно. На рис. 3 представлены образцы слоистых биметаллических втулок, изготовленных по данному варианту.

Выводы

1. Предлагаемая методика позволяет выбрать рациональный технологический вариант прессования композиционных слоистых втулок для широкой гаммы материалов, существенно отличающихся друг от друга параметрами уплотнения и спекания.

2. Способ ЭСП обеспечивает получение композиционных слоистых втулок из различных металлических порошков, имеющих высоту до 200 мм, диаметр до 100 мм и толщину 5-30 мм, и может быть использован при изготовлении трубчатых слоистых фильтров, биметаллических подшипников скольжения и других деталей.

Литература

1. Кобелев А. Г., Потапов И. Н., Кузнецов Е. В. Технология слоистых металлов. М.: Металлургия, 1991. 248 с.

2. Мертенс К. К., Кузнецов П. А. Перспективы применения и развития технологии эластостати-ческого прессования порошковых материалов // Тр. / СПбГТУ. № 504. Машиностроение. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. С. 41-49.

3. Тимохова М. И. Квазиизостатическое прессование керамических изделий: Аналитический обзор. М.: Всесоюз. НИИ науч.-техн. информ., экономики, промышленности, строительных материалов, 1990.