Разработка технологии получения детали фланец способом порошковой металлургии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Кафедра порошкового материаловедения

Курсовая работа

по курсу «Технология получения порошковых материалов»

Разработка технологии получения детали фланец способом порошковой металлургии

Выполнил

Студент гр. КПМ-02

Мигицко О.С.

Проверил

Вакутин А.П.

Пермь 2005

Содержание

Введение

1. Выбор исходного материала

2. Технологическая схема

3. Выбор оборудования

4. Расчёт материального баланса

Список использованной литературы

Приложение 1

Приложение 2

Введение

Современный технический прогресс требует создания большого количества новых материалов для работы в условиях высоких температур, давлений, агрессивных сред и широких диапазонов режимов трения.

Среди новых технологических методов обработки металлов особое место занимает порошковая металлургия.

По сравнению с другими способами изготовления изделий порошковая металлургия имеет ряд преимуществ и позволяет:

1. Производить изделия различной формы и назначения, создавать новые материалы, которые получить другими способами сложно и невозможно (фрикционные и антифрикционные материалы, сварочные контакты из псевдо сплавов).

2. Готовые изделия и полуфабрикаты практически не требуют дальнейшей механической обработки (шлифовка, точение, сверление).

3. Получать материалы из металлов, не образующих сплавы и не растворяющихся друг в друге.

4. Получать пористые материалы с широким диапазоном контролирования пористости

5. Получать изделия из самых тяжёлых (W) и самых лёгких (Be, Al) элементов.

6. Снижать потери материала в 10 раз по сравнению с обычными способами.

7. Сокращать расход металла и повысить производительность труда в 1,5-2 раза.

8. Использовать различные отходы: окалину, стружку чугунную и стальную.

С порошковой металлургией конкурируют литьё, горячая пластическая деформация (ковка, штамповка, прокатка), холодная пластическая деформация (гибка, вырубка), механическая обработка. Порошковая металлургия не может полностью исключить вышеприведенные технологии, т.к. порошковые изделия не всегда имеют требуемый уровень механических свойств. Это объясняется тем, что в порошковых изделиях всегда присутствует пористость. Пористость является остаточной после уплотнения порошка и последующего спекания. Поры, присутствуя в материале являются центрами зарождения трещин и разрушения материала. Пористость может носить и положительный характер. Если заполнить поры маслом, получится хороший антифрикционный материал.

Схема получения изделий из порошков включает основные процессы: получение порошка, подготовка порошковой шихты, получение консолидировоного тела, формование с применением давления, спекание отформованных изделий.

Применение различных значений удельной нагрузки при формовании определяет получение компактных прессовок различной плотности либо пористых изделий.

Ограниченное количество технологических операций позволяет сосредоточить производство порошковых изделий на одном предприятии, значительно повысить производительность труда, снизить себестоимость изделий и энергозатраты, сократить потребности в рабочей силе.

1. Выбор исходного материала

порошок деталь технология конструкционный изделие

Учитывая данные, выбираем материал ПК - 40 - 7.2

Основа Fe - 99.6 %, С - 0.4 %

Конструкционные материалы и детали из них - наиболее распространенные виды продукции, получаемой методом порошковой металлургии (ПМ). Основными потребителями конструкционных деталей являются автомобилестроение, с/х машиностроение, электромашиностроение, и приборостроение.

Фланец - типовая конструкционная несущая деталь. Должна обладать высокой прочностью и плотностью, приближенных к плотности литых деталей, предназначена для крепежа сборных изделий.

Средненагруженные и малонагруженные детали изготавливаются из углеродистой стали. Существенное влияние оказывает на структуру способ введения графита. Повышение свойств изделия достигается термической обработкой и горячим прессованием.

Выгодное серийное производство этой детали даёт способ порошковой металлургии благодаря безотходности производства и высокой степени механизации.

2. Технологическая схема (см. Приложение 1)

Порошок железа изготовляется по ГОСТу 9849 - 78.

Порошки представляют собой совокупность частиц округлой формы, дендритной или пластичной формы. Форма частиц и их размеры оказывают определенное влияние на их формуемость, спекаемость и определенный комплекс механических свойств порошковых изделий.

Мелкие порошки имеют низкую текучесть, большую насыпную плотность, хорошую формуемость, большую усадку при спекании, что приводит к изменению размеров. Как правило, мелкие порошки не являются технологичными.

Крупные порошки имеют хорошую текучесть, низкую насыпную плотность, хорошо формуются, имеют малый коэффициент усадки при спекании. Однако крупные порошки обуславливают крупную пористость, которая резко снижает прочность изделий.

Оптимальным считают комбинацию крупных и мелких порошков, когда мелкие частицы занимают пространство между крупными.

Крупные порошки являются наиболее чистыми, таким образом для приготовления шихты выбирают оптимальный размер частиц порошков, из которых будет приготавливаться шихта.

Контроль.

Химический состав порошков определяется содержанием в них основного элемента, примесей и газов и устанавливается стандартами, техническими условиями или подбирается в соответствии с требованиями, предъявляемыми к детали и материалам.

Контроль гранулометрического состава порошка осуществляется методом просеивания пробы через набор сит. (ГОСТ 18318-73) От него зависит насыпная плотность, текучесть, формуемость и активность при спекании. Чем дисперснее порошки, тем меньше насыпная плотность, хуже текучесть, хуже формуемость, но активнее процесс спекания и более высокая прочность готовых изделий. Увеличение размеров частиц порошка способствует формованию крупнокристаллических структуры с наличием большой неправильной формы пористости, следовательно, готовое изделие имеет низкие механические свойства. Насыпная плотность определяется по ГОСТу 19440 - 74 с помощью волюмометра. Текучесть - определяется по ГОСТу 20899 - 75. Текучесть порошка оценивается с помощью воронки с калиброванным отверстием. Текучесть определяется временем истечения навески порошка из воронки через калиброванное отверстие. Текучесть влияет на скорость и равномерность заполнения пресс-формы, т. е. на производительность и качество прессования. Она зависит главным образом от размера частиц и их формы, состояния поверхности и внутреннего трения. Уплотняемость и формуемость определяются по ГОСТ 25280 - 82. Уплотняемость оценивается путем определения плотности прессовок, изготовленных при заданных давлениях прессования в цилиндрических пресс-формах. Формуемость порошков оценивается интервалом значения плотности, при которых прессовки, после извлечения из пресс-формы не осыпаются и не имеют расслойных трещин.

Порошок графита изготовляется по ГОСТу 4404-78

После контроля осуществляют сушку порошка для увеличения текучести и насыпной плотности порошка, удаления с поверхности порошка адсорбированной влаги и загрязнений. Сушка проходит при Т=120^єС в течении 2-3 часов.

Просев

Осуществляется для выделения нужного размера частиц порошка графита через сито с целью удаления наиболее грубой фракции и других инородных предметов. Фракционный состав при одних и тех же условиях прессования и спекания оказывает значительное влияние на комплекс механических свойств спечённого изделия. Просев осуществляют в течение 1 часа. Для просева порошков в нашем случае используются вибрационные сита. Для просева порошка графита применяется вибрационное сито с сеткой 01.

Контроль.

На данном этапе контролируют качество изготовленного и просеянного порошка. Определяют насыпную плотность на волюмометре по ГОСТу 19440- 74.Насыпная плотность - масса единицы объёма порошка при свободной насыпке, представляющая собой его объёмную характеристику. Определение величины насыпной плотности порошка необходимо для расчёта габаритов засыпной полости формующего инструмента, например высоты матрицы пресс- формы при её конструировании. Чем меньше насыпная масса порошка, тем больше трудности при формовании заготовок из него и их усадка при спекании.

Кроме того, проводится анализ на содержание минеральных солей по ТУ 48-10-22-73 и кислорода (содержание его не должно превышать 1%).

Смешивание

Качество смешивания определяет однородность получаемой структуры. Если смесь порошков неоднородна, то и структура будет неоднородной (гетерогенной). Плохая структура приведет к плохим механическим свойствам.

Операция смешивания является операцией, обуславливающей качество порошковых изделий. Формование и спекание не исправляют допущенного брака. В приготовляемую шихту вводят связующие или смазки, которые облегчают процесс формования.

Смешивание порошков железа и графита проводим с добавлением стеарата цинка. Берём порции графита, стеарата цинка и количество железа, в 2 раза превышающее оба предыдущие компонента. В течении 1 часа проводим смешивание. После чего добавляем в смесь оставшийся порошок железа. Смешивание проводим ещё 2 часа.

Контроль

После смешивания порошок снова подвергают контролю на текучесть и насыпную плотность. Метод определения текучести и насыпной плотности.

Формование

Формование порошковой системы сопровождается уплотнением, деформацией частиц, взаимным перемещением, изменением состояния поверхностей и площади межчастичных контактов. Деформация в первую очередь происходит на межчастичных контактах. На 1-ом этапе уплотнение происходит в результате взаимного перемещения частиц. На 2-ом этапе происходит дробление конгломератов, скрашивание острых кромок и выступов, деформация отдельных частиц. На 3-ем этапе происходит пластическая деформация частиц порошка, резко возрастает плотность структурных дефектов, который вызывает наклёп. В результате затормаживаются процессы уплотнения порошковой системы и резко возрастают усилия прессования. Наряду с наклёпом, порошки под давлением ведут себя как жидкости т.е. растекаются в стороны, тем самым оказывая давление на стенки матрицы,. Это боковое давление. При появлении бокового давления , при перемещении порошка относительно стенки матрицы возникают силы трения, которая всегда направлена навстречу усилию прессования. Давление на слои порошка по высоте изделия оказывается неодинаковым. Давление максимально непосредственно у торца пуансона, уменьшение сил трения происходит по мере удаления от этого торца. Разное давление прессования определяет разную плотность изделия. Возникает явление разноплотности прессовки, что понижает механические свойства и качество изделия.

Для снижения коэффициента трения:

повышают частоту поверхности матрицы (полируют);

смазывают стенку пресс-формы специальными смазками (коллоидный графит, стеарат цинка, эмульсии фторопласта и др.)

введение смазки непосредственно в формуемую шихту (стеарат цинка)

Основная задача прессования изделия любой формы - достижение равномерной плотности во всех ее частях. Мерилом может служить степень сжатия порошка, которая должна быть одинакова в каждом месте изделия.

Контроль

Контролируем геометрию и плотность ( ГОСТ 25281-82 , методом взвешивания на воздухе) сформованного изделия Прочность прессовок определяется по ГОСТ 25282 - 82 в результате испытаний при поперечном изгибе с равномерно возрастающей сосредоточенной нагрузкой.

Выявляем заготовки с браком. Поперечные или диагональные трещины наиболее распространённый и опасный вид брака. Их появление обусловлено тем, что при выталкивании прессовки из матрицы пресс-формы происходит расширение как прессовки, так и матрицы. Разрушение происходит по границам действия деформации, вызванных указанными процессами.

Причины образования брака:

- Условия прессования, способствующие уменьшению прочности прессовок; использование гладких плоских или сфероидизированных частиц, заметное окисление и наклёп частиц.

- Высокие давления прессования

- Неравномерный сброс давления при удалении прессовки из матрицы пресс- формы, вызванный её неправильной конструкцией или перекосом в процессе прессования и при снятии давления.

- Медленное выпрессовывание прессовки из матрицы пресс- формы

- Наличие в прессуемой заготовке тонких стенок или резких переходов.

Настолько же часто при формовании наблюдается неравномерная плотность в отдельных частях прессовки или непропрессовка.

Иногда встречается брак по размерам, связанный с неправильной конструкцией или размерами пресс- формы, неточностью дозирования порошка или нарушением режима прессования (завышением или занижением давления прессования).

На поверхности прессовки могут появляться риски из-за неудовлетворительного качества рабочей поверхности матрицы; на торцах прессовки могут наблюдаться сколы, осыпания и образование заусенцев из-за плохой обработки рабочей поверхности пуансонов или выработки их торцовых кромок.

Спекание

Сформованное изделие подвергаем спеканию, нагревая до Т=1000⁰С. Структура спечённых углеродистых сталей своеобразна и состоит из металлической основы и пор. Задача спекания получить однородную структуру аустенита, но этого не происходит, диффузия углерода в глубь частиц железа начинается с границы железографит. Ввиду непосредственного контакта железа и графита при повышенной температуре имеет место химическое взаимодействие с образованием первичного цементита.

Крупные частицы железа насыщенны углеродом только сверху и ввиду непродолжительной выдержки при спекании остаются внутри ненасыщенными по углероду. По этой же причине не успевают раствориться крупные частицы графита. В результате к конечному моменту спекания существуют участки железа, обеднённые по углероду, участки железа, насыщенные углеродом, нерастворившиеся частицы графита и первичные карбиды. Растворимость графита в железе определяется дисперсностью частиц железа, шероховатостью поверхности. По окончании изотермической выдержки начинается охлаждение , в процессе которого аустенит, содержащий 0,8 % С превращается в перлит. В участках, обеднённых по углероду, происходит выделение избыточного феррита, а в участках, обогащённых по углероду, происходит выделение избыточного углерода. Выделение происходит по двум механизмам: в виде вторичного цементита или свободного углерода- графита.

В результате охлаждения структура будет состоять из перлита, мелких включений феррита, нерастворенных частиц графита, участков первичного цементита и скопление вокруг них вторичных карбидов.

Наибольшее влияние на процессы, протекающие при спекании, оказывает удельная поверхность порошков. Энергия, необходимая для образования этой поверхности, освобождается при спекании и составляет основную долю движущей силы процесса, хотя по абсолютной величине эта энергия относительна мала. С термодинамической точки зрения процесс спекания можно представить как перемещение атомов из энергетически невыгодных состояний в более выгодные, когда свободная энергия системы минимальная. Процесс спекания связан с изменением размеров и количества пор. С этой точки зрения его можно разделить на две стадии: первая-увеличение контактной поверхности и образование замкнутых пор, вторая- уменьшение размеров и исчезновением пор. В связи с вышеописанными явлениями, наблюдающимися при высоких температурах, изменяется контакт между частицами порошка, увеличивается поверхность сцепления, повышаются свойства материала.

И = (г_пр /г_к) 100 = (7,2/7,78) 100 = 92,54

П = 100 - 92,54 = 7, 46 %

Т.к. рассчитанная пористость нашей прессовки превышает заданную величину, то необходимо провести динамическое горячее прессование.

Контроль

При спекании появляется брак , вызванный нарушением технологии и проявляется брак предыдущих операций, поэтому после спекании проводится визуальный контроль внешнего вида спечённых заготовок. На спечённой заготовке не допускаются расслоения, трещины, сколы; допускаются раковины и коробления, не превышающие по глубине половину припуска на механическую обработку. Брак при спекании, особенно неисправимый, существенно ухудшает экономические показатели производства материалов и изделий методом порошковой металлургии. При появлении брака должны быть приняты немедленные меры.

Динамическое горячее прессование

ДГП осуществляем при нагрузке 6-7 т/ см³. ДГП является одним из видов высокотемпературной обработки давлением. Используется пористая заготовка, полученная холодным прессованием с достаточным приближением по форме к готовому изделию. Заполнение полости штампа происходит в основном за счёт её осадки по высоте за один ход инструмента, что обуславливает повышение производительности и снижение затрат на изготовление инструмента. В процессе ДГП происходит уплотнение и сокращение объёма заготовки. В связи с этим непрерывно изменяются условия истечения материала частиц в поры и характер деформации. Преимущественное влияние на результаты процесса оказывают: уплотнение пористой заготовки, сращивание частиц на уже имеющихся и вновь образующихся контактных поверхностях, пластическая деформация заготовки в целом и частиц составляющего её порошка. Сращивание является одним из основополагающих процессов формирования материала при ДГП. Образование связей на контактных поверхностях частиц происходит практически на всех стадиях технологии ДГП. Структурообразование материала при ДГП протекает в условиях интенсивной его пластической деформации и ускоренного охлаждения за счёт теплоотдачи стенкам относительно холодной пресс-формы , что обеспечивает проявление эффекта термомеханической обработки. ДГП подходит для сплошных и полых заготовок, а также для фасонных изделий различной формы.

Контроль

Контроль плотности структуры осуществляем методом взвешивания на воздухе (ГОСТу 25281-82). Производим обмер детали.

Отжиг

Для улучшения механических свойств и обработки резанием порошковой стали используем термическую обработку. Отжиг повышает однородность структуры, что приводит к повышению указанных свойств. Режим: нагрев до температуры 680 - 700 єC, выдержка до полного прогрева и протекания структурных превращений в детали в течении 1-2 часа.

Контроль

Осуществляем визуальный контроль на выявление видимых трещин. Проводим анализ твёрдости, микроструктурный анализ на равномерность распределения фаз.

Маслопропитка

Пропитываем изделие маслом для увеличения коррозионной стойкости и износостойкости.

Заполнение пор изделий маслом, которое в процессе поступает по капилярам к поверхности трения, позволяет в ряде случаев избежать необходимости в дополнительном подводе смазки и улучшает условия работы трущейся пары.

Пропитку производят машинным или веретенным маслом при температуре 110-120 єС в течение 0,5 - 1 ч. с последующим охлаждением в холодном масле.. Для более полного заполнения объема открытых пор применяют пропитку изделий в вакууме, а также пропитку под давлением. Пропитанные маслом изделия не рекомендуется подвергать обработке резанием, так как при этом масло выдавливается из пор и загорается. Такие детали пропитывают после обработки.

Контроль

Производим контроль по привесу и на соответствие заданным размерам.

3. Выбор оборудования

Сушка

Сушка выполняется на противнях в сушильных шкафах. Порошок засыпается на противень слоем <= 15 мм. В процессе сушки его постоянно перемешивают. Время сушки 2-3 часа при Т=120^є.

Просев

С точки зрения экономичности, просев рациональнее всего проводить на вибрационном сите. Исходный порошок засыпается в короб на сетку. В результате возвратно- поступательного движения короба, частицы порошка просыпаются через ячейки сетки вниз. На сетке остаётся крупная фракция, которую отправляем на доизмельчение или используем в других целях. Недостаток: забивание ячеек сетки частицами порошка, что требует периодической чистки. Используем сито ДК-40. Время просева 1 час.

Технологические характеристики сита:

производительность 0,2 т/ч;

мощность 1,0 кВт;

габариты 1,2 0,75 0,55 м

Смешивание

Для смешивания выбираем плужковый смеситель, т.к. при вращения плужки взрыхливают и перемешивают шихту, в результате достигается меньший её разогрев, что не приводит к окислению порошка. Время смешивания увеличивается, риск появления неоднородности в составе порошка уменьшается.

Технологические характеристики плужкового смесителя:

вместимость барабана 2 м^3;

частота вращения 30 об/мин;

загрузка порошков 1000 кг;

рабочее разряжение 40 гПа;

мощность 20 кВт;

Формование

Формование выполняем в стальных пресс-формах на гидравлических или механических прессах при давлении 600-700 МПа. Оно наиболее эффективно для нашего материала. Получается более высокая производительность производства, что снижает себестоимость продукции.

Используем автомат КА8124.

Технологические характеристики:

- номинальное усилие - 250 кН;

- наибольшая высота засыпки в матрицу - 90 мм;

- ход прессующей головки 150 мм;

- число ходов прессующей головки в мин.- 12-40;

- мощность привода- 7,5 кВт;

- габаритные размеры пресса - 1300/1820/2500;

- масса- 4500 кг.

Спекание

Используем конвеерную печь ввиду её простоты конструкции и надёжности в эксплуатации, высокого качества термической обработки. Печь предназначена для проведения операции спекания с защитной атмосферой.

Технологические характеристики конвеерной печи:

-производительность - 200 кг/ час;

- число температурных зон -3;

- максимальная нагрузка на 1 погонный метр конвеера -23 кг.

Состав печи: конвеер, камера предварительного нагрева, камера окончательного нагрева, камера обдува, холодильник.

ДГП.

На участке ДГП устанавливаются автоматизированные установки с гидравлическими или механическими прессами и печью ТВЧ для нагрева деталей. На установках применяется периодический способ индукционного нагрева заготовок. Для нагрева заготовок имеющих форму фланцев используется нагреватели с различными индукторами, которые помещаются в геометрические муфели из жаропрочного бетона. Температура нагрева под деформацию составляет ^єС. Автоматизированные установки ДГП имеют небольшие габариты, обеспечивают высокую производительность процесса, удобны и надёжны в эксплуатации. Для защиты от окисления при нагреве используют бедный экзогаз.

Отжиг

Отжиг проходит в конвеерных печах при Т =680-700^є С в течении 1-2 часов. Для предотвращения окисления металла необходима защитная атмосфера.

Маслопропитка

Пропитку маслом осуществляем в баках с маслом с электрическим подогревом. Для пропитки используют веретённое масло при Т = 100-120^є С. Производительность установки 200-250 кг/ час.

4. Расчёт материального баланса (приложение 2)

Производим материальный расчёт на 100 кг конечного продукта. Для этого необходимо учесть потери на всех стадиях изготовления изделия.

Расчет ведётся по основному порошку (Fe)

Потери при ДГП составляют 0,5%

=> берём запас порошка 500 гр.

=> количество исходного порошка составляет 100,500 кг

Потери при формовании составляют 0,5% при браке (трещины, сколы)

=> Берем порошок с запасом ещё на 500 гр.

=> количество исходного порошка составляет 101 кг

Потери при просеве (0,5%) дают нам ещё 500 гр порошка в запасе , что определяет конечное количество исходного порошка = 101,500 кг

Итого: для получения 100 кг конечного продукта необходимо взять 101,500 кг порошка железа.

Список использованной литературы

1. Анциферов В.Н., Черепанова Т.Г. конспект лекций по курсу “Технология металлов и других конструкционных материалов”: Пермь, 1973, 53 с.

2. Дорофеев Ю.Г., Мариненко Л.Г. Конструкционные порошковые материалы и изделия. М.:Металлургия, 1986, 144с.

3. Либенсон Г.А., Панов В.С. Оборудование цехов порошковой металлургии.:М. “Металлургия”,1983, 264 с.

4. Роман О.В., Габриелов И.П. Справочник по порошковой металлургии: Порошки, материалы, процессы. Мн.: Белорусь, 1988, 157 с.

5. Радомысельский И.Д. Конструкционные порошковые материалы. К.: Техника, 1985, 152 с.

Приложение 1

Технологическая схема

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приложение 2

Материальный баланс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на Allbest.ru

...