Определение основных параметров после компактирования композиционного материала Fe 50% и Сu 50%

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский политехнический университет»

Расчетно-практическая работа

на тему: «Определение основных параметров после компактирования композиционного материала Fe 50 % и Сu 50%»

Выполнила:

Лебедева М.С.

Москва, 2019 г



Введение

Порошковая металлургия -- технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков, смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.

Преимущества порошковой металлургии:

· Экономичность - исходным материалом для изготовления порошков являются разного типа отходы, например, окалина. Этот отход металлургического производства больше нигде не используется, а методы порошковой металлургии позволяют компенсировать такие технологические потери.

· Точность геометрических форм деталей. Изделия, изготовленные методом порошковой металлургии, не нуждаются в последующей обработке резанием. Следовательно, производство осуществляется с низким процентом отходов.

· Высокая износостойкость изделий.

· Простота технологического процесса.

Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: приготовление шихты (смешивание), формование, спекание и калибрование

Литературный обзор

Порошки металлов получают механическим и физико-химическим способами. Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без заметного изменения его химического состава. Чаше всего используют измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций, диспергирование расплавов, обработки металлов резанием. К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с физико-химическим диспергированием исходного сырья, обеспечивающего не только сокращение размеров, но и изменение химического состава перерабатываемого материала. К основным механическим методам получения порошков металлов относятся: дробление и размол металла, диспергирование расплава металла, грануляция расплава металла.

1.Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах. Таким образом получают порошки Fe, Сu, Мg, латуни, бронзы, хрома, алюминия, сталей, меди. adidas zx flux femme

2.Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа ил, жидкости). Таким образом получают порошки алюминия, свинца, цинка, бронзы, латуни, железа, стали, меди.

3 В процессе грануляции расплава порошок образуется при сливании расплавленного металла в жидкость (например, в воду). Получают крупные порошки железа, меди, свинца, олова, цинка.

4. В процессе обработки металлов резанием подбирают такой режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки. Таким образом получают порошки стали, латуни, бронзы, магния, меди. В широко распространенных измельчительных установках - шаровых мельницах реализуются такие механизмы разрушения, как раздавливание и удар, в случае необходимости получения крупных частиц; истирание и удар, обеспечивающих получение высокодисперсных частиц. При измельчении до крупной фракции комбинируют раздавливание и удар при тонком измельчении организуют удар и истирание.



1. Получение металлического порошка железа и меди

Порошковая металлургия, представляющая собой безотходную технологию, является одним из перспективных направлений в металлургии.

Производство порошка -- первая технологическая операция порошковой металлургии. Необходимость изменения свойств порошков для различных технологий обусловило развитие целого ряда способов их получения. Это, в свою очередь, делает возможным придание изделиям из порошка требуемых физических, механических и других специальных свойств. Кроме того, метод изготовления порошка в значительной мере определяет его качество и себестоимость.

Железные порошки по способу производства подразделяются на восстановленные, распыленные, карбонильные, электролитические и др. В России железные порошки изготавливают преимущественно методом восстановления оксидов железа с последующим измельчением восстановленного продукта до необходимого гранулометрического состава и распылением расплава водой высокого давления.

Восстановленные порошки отличаются губчатым строением, развитой поверхностью частиц и низкой насыпной плотностью, благодаря чему обеспечивают высокую прочность сырой прессовки. Это делает их незаменимыми при производстве изделий сложной конфигурации с тонкими стенками. Потребность в таких порошках непрерывно растет. Железные порошки применяются для производства деталей изделий широкой номенклатуры прессованием и спеканием, в покрытиях сварочных электродов и для изготовления сердцевины сварочной проволоки, а также для кислородно-флюсовой резки, магнитной дефектоскопии, для изготовления полиграфических красителей и других целей.

Появляются новые сферы использования железных порошков, в частности для 3D-печати. Значительное применение получило технически чистое железо высокой химической чистоты, называемое карбонильным железом. Одной из основных областей использования карбонильного железа можно назвать радиоэлектронику: в данной отрасли порошки используют для производства магнитных сердечников. Не менее важной областью применения карбонильного железа является порошковая дефектоскопия. Порошки карбонильного железа используются для МИМ-технологий и традиционной порошковой металлургии.

Железные порошки относятся к черной металлургии, а карбонильное железо - к продукции химической промышленности.

Железные порошки изготавливают в основном двумя методами распылением жидкой стали или восстановлением оксидов железа с последующим измельчением восстановленного продукта до необходимого гранулометрического состава.

Получение железного порошка восстановлением его из железной окалины или руды природным газом дает возможность использовать в качестве сырья большое количество дешевой окалины, получаемой при прокатке и ковке стали. Сначала окалину сушат, затем отделяют неметаллические компоненты, далее измельчают и смешивают с твердым восстановителем в особых керамических тиглях и отправляют в печь.

Получившееся губчатое железо размалывается и просеивается. В результате и получается железный порошок. Такие порошки хорошо прессуются и спекаются при производстве деталей, однако в силу того, что при восстановлении некоторые химические элементы не восстанавливаются, то страдают эксплуатационные свойства материала.

Порошок железный распыленный изготавливается путем распыления расплава металла. Распыление производится водой под высоким давлением, после чего порошок сушат и восстанавливают в печах, в итоге получается губка, которую впоследствии размалывают и усредняют. Другой способ изготовления - распыление воздухом.

Восстановленный порошок отличается от распыленного губчатымстроением, низкой насыпной плотностью и развитой поверхностью частиц.

2. Получение металлического порошка меди

В настоящее время, области применения порошков меди значительно выросли и уже не ограничиваются только порошковой металлургией. Порошок меди, благодаря специфическим свойствам, таким как электро- и теплопроводность, активно используется практически в любой области техники, и объем их применения непрерывно расширяется. Широкое применение порошков в различных сферах связано с их способностью существенно улучшать параметры существующих технологических процессов и создавать новые технологии.

Медный порошок можно произвести двумя методами: механическим и физико-химическим. Если в процессе производства есть необходимость превращения сырья в медный порошок с минимальными изменениями его химического состава, то необходим механический метод. Второй метод позволяет получить иные результаты из аналогичного сырья. При таком производстве в работу вступает более сложный процесс. Физико-химический метод заставляет исходные материалы существенной изменить свои первоначальные свойства и химический состав.

Медный порошок (медная пудра) представляет собой мелкодисперсионное порошкообразное вещество, производимое путем распыления струи расплавленной меди перпендикулярно струи газа, воды или воздуха. Использование медной пудры возможно во многих отраслях промышленности: в металлургической, машино- и авиастроительной, электротехнической и пр. Данный метод получения ультрадисперсного медного порошка связан с созданием вакуумно-дугового разряда с применением катода меди, а также расплавлением металла катода, испарением металла и конденсацией испаряемого металла на охлаждаемую подложку. Испарение металла выполняется при температуре катода, которая соответствует границе перехода вакуумно-дугового разряда. При этом температура катодного пятна обеспечивается за счет модуляции тока разряда импульсного источника питания, который подключен к катоду и имеет индуктивную развязку. Все это дает возможность получения качественного, без присутствия окисной пленки, ультрадисперсного порошка заданного размера.

3. Формование металлических порошков

Формование металлических порошков есть технологическая операция, в результате которой металлический порошок образует порошковую формовку, то есть тело, имеющее заданные форму, размеры и плотность. Процесс формования начинается с подготовки порошков с целью повышения их пластичности и прессуемости, главным образом за счет восстановления остаточных оксидов и снятия наклепа при нагреве до температуры t= (0,5-0,6)tплав в защитной, восстановительной среде или в вакууме.

Следующей операцией является смешивание- приготовление однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава. Наиболее распространенным является механическое смешивание компонентов в бегунах, в шаровых мельницах и других устройствах.

Идеализированная кривая процесса уплотнения порошка (рис.2) должна иметь три характерных участка. Наиболее быстро плотность упаковки частиц наступает на первой стадии за счет перемещения частиц и занимания ими близлежащих пустот. К концу этой стадии частицы уложены максимально плотно и наступает горизонтальный участок. Когда давление превысит сопротивление сжатию начинается пластическая деформация частиц, а в случае хрупкого тела разрушение частиц.



В результате формования начальный объем сыпучего порошкового тела уменьшается и формируется брикет, называемый прессовкой, с заданными свойствами и размерами. Такое изменение первоначального объема происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением ими пустот, образовавшихся в результате свободной засыпки порошка в прессформу.	Рис. 1.Пресс-форма 1-верхний пуансон, 2-матрица, 3-прессуемый порошок, 4- подставка

Прессование представляет собой формование металлического порошка в пресс-форме под действием давления. Схема представлена на рис.1

Происходящее при прессовании перемещение частиц порошка приводит к возникновению давления на боковые стенки пресс-формы, вследствие сил трения и что сопровождается неравномерным распределением плотности по высоте прессовки. Такая неравномерность особенно заметна тогда, высота прессовки больше диаметра или максимального поперечного сечения. Для устранения такого недостатка можно применить смазку, в качестве которых используют стеараты, парафины, технические масла и др.	Рис.2. Кривая распределения уплотнения порошка

После прессования для удаления брикета из пресс-формы надо приложить некоторое усилие, которое называется давлением выталкивания. Оно пропорционально усилию прессования и зависит от величины коэффициента внешнего трения и упругих свойств материала порошка. Обычно давление выталкивания принимают равным 20 - 35 % усилия прессования.

Расчет навески, дозирование и засыпка порции порошка в пресс-форму осуществляется обычно по формуле



Q = к V (1-П/100) К1 К2,

где Q- навеска порошка, г;к -плотность компактного порошка, г/см3;V- объем изделия, см3; П - фактическая пористость спеченного изделия, %; К1- коэффициент, учитывающий потери порошка при прессовании (1,005 - 1,01); К2 - коэффициент, учитывающий потерю массы порошка при спекании (1,01-1,03).

При прессовании смесей порошков их плотность обычно рассчитывается по правилу аддитивности. Дозирование (выделение определенной порции порошка) осуществляется или по массе или по объему вручную или посредством автоматических дозаторов. Процесс прессования осуществляется с помощью специальных гидравлических или механических (кривошипных, кулачковых, фрикционных) прессов. Наиболее распространенными видами брака является: расслой - поперечные или диагональные трещины, нарушающие целостность прессовки, неравномерная плотность, непропрессовка, брак по размерам.

В производственных условиях для формования прессовки используют также и другие методы.

Изостатическое прессование -формование металлического порошка в эластичной или деформируемой оболочке в условиях всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создает жидкость, такое формование называют гидростатическим, а если газ - газостатическим. Порошок засыпается в специальную резиновую или из другого эластичного материала оболочку, толщиной от 0,1 до 2 мм и помещают в камеру гидростата или газостата, в которой после герметизации создается требуемое давление. В этом случае отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, так как те из них, которые прилегают к оболочке перемещаются в основном вместе с ней и обеспечивается более равномерная плотность прессовки.

Прокатка порошка- заключается в подаче порошка 1 из бункера 3 в зазор между двумя (рис.3) вращающимися навстречу один другому валками 2. Порошок силами трения между ним и поверхностью вращающихся валков увлекается в зазор и прессуется в равноплотное изделие, длина которого существенно превосходит ширину при малой толщине. Прокатку порошка следует рассматривать, как непрерывное прессование, которое начинается в очаге деформации (на входе в валки) и кончается на выходе ленты из зазора между валками.

Поступление порошка может быть как свободным, так и осуществляться под давлением. Различают три периода прокатки, начальный неустановившийся (начало прессовки), установившийся (средняя часть прессовки) и конечный нестационарный (конец прессовки).

Мундштучное прессование - это формование металлического порошка 1 продавливанием через отверстие 2, определяющее форму и размеры поперечного сечения порошковой формовки. Металлический порошок предварительно смешивают с пластификатором (парафином, крахмалом, поливиниловым спиртом и др., которого берут 6 - 10 % (по массе). Скорость продавливания материала через отверстие составляет от 2 до 10 мм/с, давление прессования 300 - 500 Мпа. Как правило, прессование проводят при подогреве продавливания материала, такAlи его сплавы нагревают до температур 400 - 500оС,Cu- 800-900oC, сталь - 1050 -1250оС.

Рис.3. Прокатка порошка	Рис.6.4. Мундштучное прессование

Весьма эффективно производство мундштучным формованием прутков, труб, уголков и других больших по длине изделий из плохо прессуемых материалов, в том числе тугоплавких металлов и соединений, твердых сплавов.

Кроме вышеописанных методов используется также шликерное формование - формование металлического порошка заполнением шликером, представляющим собой устойчивую суспензию порошка в жидкости, пористой формы, обеспечивающей удаление жидкости из шликера идинамическое(имульсное) формование при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 секунды. металлический порошок прессовка спекание

4. Спекание

Спеканием порошковой формовки называют нагрев и выдержку ее при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Это одна из важнейших технологических операций, результатом которой является превращение непрочного порошкового тела в прочное спеченное изделие со свойствами, приближающимися к свойствам литого металла. Такое превращение естьследствие изменения характера межчастичных контактов: если в формовке или свободно насыпанном порошке частицы связаны между собой механически (сцеплением, зацеплением и опиранием одних частиц на другие), то в спеченном изделии образуются обширные области вещества, принадлежащие сразу нескольким частицам. Плотность, прочность и другие физические и механические свойства спеченных изделий зависят от свойств исходных порошков и условий изготовления: давления прессования, температуры, времени и атмосферы спекания и других факторов.

Возможны две основные разновидности процесса спекания - твердофазное, то есть без образования жидкой фазы, и жидкофазное, при котором нагрев порошковой формовки проводят при температуре, обеспечивающей появление жидкой фазы.

Основными процессами, проходящими при спекании являются: поверхностная и объемная диффузия атомов, перенос атомов через газовую фазу, усадка, рекристаллизация.

Диффузия - это перемещение атомов, которое может совершаться как по поверхности тела, так и в его объеме. В результате движения атомов происходит расширение контактных участков, приводящее к развитию межчастичного сцепления.

Перенос атомов через газовую фазу связан с процессом испарения вещества с поверхности одних частиц и его конденсация на поверхности других частиц. Перенос вещества идет в направлении межчастичного контакта, увеличивая его протяженность и повышая прочность межчастичного сцепления.

Усадка проявляется в изменении размеров нагреваемого порошкового тела. Принято различать объемную и линейную усадку. Условно процесс усадки можно разделить на три последовательно происходящие стадии.

Ранняя стадия. Плотность порошкового тела мала и скорость уплотнения зависит от процессов, происходящих в приконтактных областях. Скорость смещения относительно друг друга и объемного деформирования частиц под действием поверхностного натяжения путем объемной самодиффузии атомов по пустотам, что обеспечивает заполнение пор металлом, высока. Промежуточная стадия. Плотность порошкового тела достаточно велика и уменьшение объема каждой из пор, в совокупности составляющих некий единый ансамбль, может происходить фактически независимо. Уплотнение происходит равномерно во всем объеме нагреваемого тела, если его пористость однородна.

Поздняя стадия. Порошковое тело содержит отдельные изолированные поры, которые зарастают в результате объемной диффузии атомов. До окончательного исчезновения пор может происходить процесс их укрупнения (коалесценция), при котором мелкие поры как бы поглощаются (растворяются) крупными и исчезают, тогда как суммарный объем пор сохраняется неизменным.

Источником движущей силой процесса усадки при спекании является стремление системы (порошкового тела) к уменьшению запаса внутренней энергии, что возможно только за счет сокращения суммарной поврехности раздела между веществом и порами. Рекристаллизация. Рост (рекристаллизация) зерен при спекании - одно из важных наблюдаемых явлений. при котором мелкие зерна исчезают, а суммарная поверхность раздела между частицами уменьшается. При спекании порошковых формовок совершаются сложные физико-химические процессы, весьма чувствительные к окружающей газовой среде, поэтому в подавляющем большинстве случаев их нагрев проводят в среде защитных газов или даже вакууме. Выбор среды спекания определяется экономической целесообразностью (чем дешевле заготовка, тем меньше должна быть стоимость среды).

Основными видами брака при спекании являются:

- скрытый расслой - появление в изделии трещин;

- недопекание - нарушение требований плотности и прочности спеченного изделия при занижении температуры или времени изотермической выдержки;

-пережог - нарушение нормальной структуры спеченного изделия при превышении температуры спекания;

- коробление - искажение формы изделия, приводящее к нарушению требуемых геометрических размеров изделия;

- вспучивание - появление пузырей на поверхности изделия;

- окисление - появление на поверхности изделия окислов.

Окончательная обработка изделий, полученных методами порошковой металлургии, включает в себя проведение механической или термической обработки изделий с целью обеспечения необходимых размеров, геометрической формы, механических и эксплуатационных свойств.

Вариант 3

Данные после компактирования композитного материала из медного порошка ПМС-1 с концентрацией 50% и железного порошка ПЖ4М2 с концентрацией 50%

№ заготовки	Б Мм	B мм	Н мм	гр	кг	мм
1	38	40	14,2	60,81	5500	16,4
2	38	40	14,3	61,32
3	38	40	14,1	59,89
4	38	40	12,5	60,75	9500
5	38	40	12,3	58,87
6	38	40	12,2	59,3
7	38	40	9,9	57,73	13500
8	38	40	10,2	57,55
9	38	40	10,4	58,95

1. Определение объёма

,

,

,

,

,

,

,

,

,



2. Определение плотности порошка после компактирования

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

3. Определение давления компактирования

,

,

,

,

4. Определение средней высоты заготовки при компактировании:

,



мм,

мм

мм

5. Определение относительной высотной степени деформации:

,

,

,

,

6. Определение плотности, сопротивления пластической деформации и коэффициента пористости порошковых заготовок

,

,

,

,

,

,

,

,

,



,

,

,

,

,

,

,

7. Определение сопротивления пластической деформации композиционных материалов

,

,

=280Мпа ,

,

,

,

,

,

8. Определение общего коэффициента пористости для композиционной заготовки

,

,

,



=2,207,

=2,361

=2,438

Рис. 1 График зависимости относительной степени высотной деформации от давления компактирования

Рис.2 График зависимости средней высоты от давления компактирования



Рис.3 График зависимости относительной плотности от сопротивления пластической деформации компактированного материала

Рис.4 График зависимости относительной степени высотной деформации от сопротивления пластической деформации

Рис.5 График зависимости относительной степени деформации от относительной плотности

Рис.6 График зависимости относительной плотности железного и медного составляющего от сопротивления пластической деформации

Рис.7 График зависимости общего коэффициента пористости для композиционной заготовки от относительной плотности.

Размещено на Allbest.ru

...