Перспективные технологические процессы порошковой металлургии (статья)
В лаборатории порошковой металлургии Запорожского национального технического университета разработаны перспективные технологические процессы:
- горячая экструзия наплавочной проволоки из смеси порошков титана и карбида вольфрама:
- холодное гидростатическое прессование фильтр-элементов и порошкового титана и отсевов титановой губки;
- горячая штамповка конструкционных деталей из порошкового титана и смесей на его основе с легирующими добавками порошков ванадия, алюминия, молибдена.
Необходимость исследования и разработки технологического процесса горячей экструзии наплавочных электродов была вызвана отказами запорной арматуры, работающей в агрессивных средах.
Запорожским арматурным заводом, который производил запорную титановую арматуру, были собраны сведения о стойкости титановой арматуры на предприятиях химической, нефтедобывающей и других отраслей. Титановая арматура в большинстве случаев была стойкой к агрессивным средам, а отказы имели место по причине задиров на поверхностях пар трения. Было принято решение для увеличения износостойкости этих поверхностей проводить их наплавку электроламп. Материал наплавочных электродов должен быть на основе титана, а легирующие добавки повышать его износостойкость.
В промышленности традиционными методами такие материалы и электроды для наплавки не производились.
Для разработки материала и технологии изготовления наплавочных электродов применили метод порошковой металлургии, холодное прессование заготовок из шихты на основе титана и метод обработки металлов давлением - горячую экструзию. В качестве легирующих добавок использовали карбид бора и карбид вольфрама.
В результате проведенных лабораторных исследований научно обосновано и экспериментально доказано, что лучшим материалом является титан с добавкой карбида вольфрама Т, +35 %вec.WC + 1 %CaF2. Определены: оптимальные режимы и условия приготовления шихты, фракционный состав компонентов, режим нагрева порошковых заготовок, коэффициенты вытяжки при горячей экструзии, разработана оснастка.
Технологический процесс горячей экструзии наплавочной проволоки включает следующие операции:
- смешивание порошков;
- холодное прессование заготовок;
- горячая экструзия.
Смешивание порошков осуществлялось в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 3-х часов. Смешивание мокрое. Добавка - спирт 2-3 % от веса шихты.
Холодное прессование заготовок выполняли в стальных пресс-формах на стандартном гидравлическом прессе.
Перед горячей экструзией порошковые заготовки нагревали в печи сопротивления до температуры 850-900 °С. Защитная атмосфера -аргон.
Горячую экструзию наплавочной проволоки проводили на стандартном механическом прессе.
По результатам экспериментальных исследований, с использованием графического метода, разработана номограмма для определения параметров горячей экструзии брикетов (рис. 1) [1]. На номограмме стрелками показан порядок определения усилия прессования на кривошипном прессе проволоки (наплавочных
электродов) диаметром d0 = 6 мм из порошковых титановых легированных брикетов Do = 29 мм в контейнере диаметром Dk = 30 мм .
Проблемой была также фильтрация агрессивных сред. Фильтры, которые использовались в различных отраслях, имели малый срок службы и были затратными в процессе эксплуатации. В лаборатории порошковой металлургии разработаны технологический процесс изготовления фильтров из порошкового титана, оснастка и оборудование. В качестве исходного материала использовали отсевы титановой губки. В зависимости от требований, предъявляемых к фильтр-элементу, использовали порошки титана соответствующих фракций. Исследованиями процесса холодного гидростатического прессования экспериментально подтверждены научно обоснованные режимы холодного гидростатического прессования и спекания фильтр-элементов.
Технологический процесс холодного гидростатического прессования фильтр-элементов включает следующие операции:
- сборка пресс-форм (загрузка порошка титана):
- прессование в гидростате;
- разборка пресс-формы:
- спекание прессовок в вакууме.
В процессе исследований гидростатического прессования разработаны и защищены а.с. СССР различные конструкции пресс-форм и гидростатические установки.
Изделия, фильтр-элементы, длиной до 1000 мм, диаметром до 120 мм и толщиной стенки до 10 мм, используют в химической и нефтедобывающей промышленности [2].
Технология, оснастка и гидростатические установки внедрены в производство на Запорожском металлургическом опытном заводе.
Изготовление конструкционных деталей из титана и его сплавов сопряжено с большими затратами на обработку резанием. Коэффициент использования металла в большинстве случаев не превышает 0,2.. .0.3 и зависит от сложности формы детали. Метод порошковой металлургии, холодное прессование и последующее спекание позволяет улучшить этот показатель до 0,7... 0,8. а в отдельных случаях обработку резанием исключить полностью. Недостаток этого метода -остаточная пористость 10-40 % и неравномерное ее распределение в объеме детали, что приводит к снижению механических свойств материала.
С целью увеличения плотности в изделиях из порошкового титана и улучшения физико-механических показателей было принято решение использовать дополнительную операцию - горячую штамповку. Применительно к изготовлению изделий из порошкового титана эта технология в производстве не применялась.
Горячая штамповка конструкционных деталей сложной формы из заготовок проката титана выполняется в открытых штампах за несколько переходов. Это сопряжено с увеличением потерь металла и повышением себестоимости изготовления изделий.
Использование метода порошковой металлургии холодное прессование позволяет получать заготовки простой и сложной формы с минимальным отклонением массы заготовки. Такие заготовки можно успешно использовать при изготовлении деталей методом горячей штамповки в закрытых штампах, что позволяет сократить потери металла и снизить стоимость изделия.
Исследован процесс уплотнения порошковой заготовки на различных стадиях горячей штамповки в закрытом штампе. Выявлено неравномерное распределение остаточной пористости 2-4% в периферийных зонах изделия, что обусловлено различием напряженно-деформированного состояния в центре и по периферии заготовки, а также неравномерным распределением плотности в ее объеме перед горячей штамповкой.
На основании анализа результатов исследований разработан новый подход к управлению процессом