Некоторые свойства керамики чистых окислов

Эти и другие свойства определяют их поведение при переработке, ока­зывая влияние на текучесть, формуемость, уплотняемость и спекаемость (обжиг).

Прочность изделий из порошковых материалов тем выше, чем выше степень дисперсности исходного порошка.

Методы изготовления деталей из керамики и металлокерамики

Технологические процессы изготовления изделий из порошковых материалов многообразны и зависят от исходных материалов, форм и размеров деталей. Однако можно выделить следующие основные этапы получения деталей:

1) подготовка исходной композиции;

2) формообразование и спекание (для металлокерамики) или обжиг (для керамики);

3) доработка (зачистка, механическая обработка, покрытие);

4) контроль.

Подготовка исходной композиции. Порошок для прес­сования должен отвечать следующим требованиям:

- обладать достаточной для данного метода формования теку­честью;

- отличаться стабильным насыпным весом;

- содержать в необходимых случаях (керамика, тугоплавкие ме­таллы) надлежащее количество технологической связки (пластификато­ра) определенного типа. В качестве связки применяются клеи, парафин, стеарин и др. Исходные компоненты в виде порошков просеиваются на механическом сите и тщательно перемешиваются в определенном весо­вом соотношении в механических смесителях. Подготовленные порошки хранятся в сухом помещении в герметичной таре.

В зависимости от качества материалов и методов формования ис­ходная композиция готовится в виде порошка или смеси порошков (шихты) либо порошка или смеси порошков, замешенной технологиче­ской связкой (пластификатором), называемой шликером.

На этом этапе в значительной степени предопределяются основные характеристики будущей детали или изделия.

Второй этап заключается в формовании деталей и изделий, после чего керметы спекаются, а керамика обжигается.

Операции первого и второго этапов могут выполняться раздельно, но в некоторых случаях они могут быть совмещены.

Подготовленная и дозированная шихта (шликер) загружается в форму для последующего формообразования одним из следующих методов:

- прессование холод­ное или при сравнительно небольшом нагреве (гидростатическое, горячее, мундштучное или шприцевание);

- литье (шликерное или суспензионное, центробежное, горячее);

- напыление (холодное, горячее);

- прокатка.

Прессование холодное или при сравнительно небольшом нагреве используется для деталей сравнительно простых форм (пластинок, цилиндров, труб и т. п.) при небольшой их высоте (в направлении прессования) по отношению к площади сечения. Сущность его заключается i том, что порошок или смесь порошков загружается в стальную пресс форму и прессуется с определенным давлением, создаваемым обычно гидравлическим прессом. Давление определяется по формуле

р = qFn

где q — удельное давление прессования;

F— площадь прессования, равная горизонтальной проекции изделия;

п — число гнезд в пресс-форме.

Удельное давление прессования зависит от материала и требуемой плотности изделия и колеблется в пределах 1, 5—4, 0 Т/см².

Прессование может быть односторонним и двусторонним (рис. 127). При двустороннем прессовании равномерность уплотнения выше.

Прессование горячее применяется для деталей и изделий из тугоплавких металлов и керамики. Порошок или смесь порошков загружается в форму из тугоплавких материалов (часто из графита) и подвергается одновременному воздействию давления и тепла. Таким образом, детали здесь получаются в одну операцию. Прессование ведется при температуре спекания. Нагрев осуществляется в печах или электриче­ским током индукционным методом или методом сопротивления с ис­пользованием в качестве нагревательного элемента графитовой формы.

При горячем прессовании (рис. 128) достигается лучшее уплотнение, большая равномерность структуры и резкое сокращение времени обжига (спекания).

При гидростатическом прессовании получают сложные заготовки или детали, в том числе крупногабаритные, симметричной формы, и достигают лучшего уплотнения и, следовательно, меньшей усадки при спекании или обжиге.

Порошок, смесь порошков или шликер вводят в резиновую емкость, имеющую форму будущей детали, или в пространство между резиновой емкостью и сердечником, отображающим внутреннюю форму детали (изделия), и помещают в гидростатическую установку для всесторонне­го сжатия (рис. 129). При этом порошок прессуется более равномерно и получается более ровная структура материала. Полученное изделие подвергают спеканию (обжигу).

1 – сердечник (форма); 2 – резиновый мешок; 3 – масса заготовки; 4 – корпус гидростатической установки; 5 – крышка; 6 – манометр; 7 – жидкость; 8 – трубка подачи жидкости

В гидростатических установках может созда­ваться давление до 3000 кГ/см².

Для получения точных наружных форм за­готовку подвергают предварительному (низко­температурному) спеканию, механической обра­ботке и окончательному спеканию.

1—цилиндр; 2—шток; 3—мат­рица; 4—масса; 5— заготовка

Прессование мундштучное (или экструзия) применяется для изготовления стержней, труб и профилей, в частности тонких керамических стер­жней (например для напыления). Смесь порош­ков, замешенную пластификатором, продавли­вают через отверстие матрицы — мундштук (рис. 130). Полученные изделия подвергают предварительному спеканию для удаления пла­стификатора и окончательному спеканию (обжи­гу). Метод отличается сравнительно небольшим и неравномерным по сечению уплотнением, что приводит усадкам при обжиге.

Методы литья обеспечивают более равномерное уплотнение массы хотя степень уплотнения в большинстве случаев меньше, чем при прессовании.

Литье шликерное или суспензионное является основным видом ли­тейного формования для деталей сложных форм средних и больших размеров. Исходная композиция замешивается с пластификатором (обычно водой) до состояния жидкой сметаны и заливается в форму из гигроскопического материала, чаще всего гипса.

Вода частично впитывается гипсом, частично испаряется, а порошок под действием собственного веса уплотняется. После сушки деталь (из­делие), извлеченная из формы, спекается. Усадки при этом значительны. Поэтому для деталей точных размеров осуществляется предварительное (низкотемпературное) спекание, механическая обработка и окончатель­ное спекание.

Литье центробежное является разновидностью шликерного. Части­цы здесь уплотняются под действием центробежных сил, степень уплот­нения выше и усадка меньше. Рав­номерность уплотнения зависит от формы изделия. Этим способом из­готовляют детали, имеющие форму тел вращения.

Литье горячее производится с применением пластификаторов Сущность метода заключается в том, что порошок замешивается с пластификатором (парафином, воском и т. п.) и полученный шликер в расплавленном состоянии зали­вается в формы.

После удаления пластификатора выплавлением производят спе­кание.

Различают литье под давле­нием и в кокиль. Большее уплотне­ние, естественно, достигается при литье под давлением. Усадки при литье весьма значительны, что не­обходимо учитывать при проекти­ровании оснастки. Помимо этих общеизвестных методов, одинаковых и для литья ме­таллов, порошковые изделия можно получить методом «намораживания» и «сливного литья». В первом случае в горячий шликер опускается хо­лодный пуансон, отображающий внутреннюю поверхность детали (изде­лия). Горячая масса застывает на поверхности пуансона, образуя корочку-заготовку (рис. 131, а). Повторяя многократно эту операцию, мож­но получить заготовку необходимой толщины. Ограничением применения метода является плохая теплопроводность шликера.

Во втором случае горячий шликер заливается в холодную матрицу, отображающую внешнюю поверхность детали (изделия). Остаток незатвердевшей массы шликера сливается (рис. 131, б). Поскольку од­на из поверхностей получается всегда неточной, после уплотнения, уда­ления связки производится предварительное (неполное) спекание, меха­ническая обработка и окончательное спекание.

Метод напыления позволяет получать керамические детали (изде­лия) путем нанесения порошков на вращающуюся оправку, отобра­жающую внутреннюю поверхность изделия.

В случае холодного напыления порошкообразная смесь керамических материалов смешивается с фенольно-формальдегидным или кремнийорганическими связующими и напыляется на нагретую по­верхность оправки.

После напыления, в процессе которого частицы оплавляются и сцеп­ляются между собой, образуется заготовка, прочность которой можно увеличить полимеризацией смолы. Оправка удаляется химическим трав­лением или каким-либо другим способом.

Рис. 132. Горячее напыление:

1 — оправка; 2 — заготовка; 3—горелка; 4—керамический порошок; 5 — подача кислорода; 6—подача ацетилена; 7 -подача воздуха (аргона)

Рис. 133. Прокатка порошков

1 – бункер; 2 – валики; 3 – порошок; 4 – лист (лента)

Разогрев осуществляется при помощи газопламенной, дуговой или плазменной горелки. Оправка удаляется тем же способом, что и при холодном напылении.

Методы напыления могут быть использованы также для нанесения защитных керамических покрытий на металлические и керамические де­тали. При этом вследствие различия коэффициентов линейного расши­рения материала основной детали и покрытий, а также чтобы исключить их термохимическое взаимодействие, на поверхность детали наносится металлический подслой тоже горячим напылением либо другим ме­тодом.

Прокатка применяется для изготовления керамико-металлических листов или ленты. Порошок или смесь нескольких порошков прокатыва­ют на валках и спекают (рис. 133) в печах непрерывного действия. Время спекания резко сокращается вследствие быстрого прогрева тон­кого листа.

После повторной прокатки (или других уплотняющих операций) по­лучают тонкий лист или ленту, пригодные для холодной штамповки. Путем прокатки можно, в частности, получить из предварительно спрес­сованной и спеченной заготовки листовой спеченный алюминиевый порошок (САП), содержащий до 15% окиси алюминия (А1₂О₃), которая покрывает зерна чистого металла и образует в спеченном листе непре­рывный каркас. Такой листовой материал может подвергаться всем ви­дам обработки и длительно эксплуатироваться при температурах до 600° С. В зависимости от вида материала и требований к изделию ат­мосфера, в которой производится спекание, может быть окислительной, азотирующей, науглероживающей, восстановительной и нейтральной.

Основные параметры режима спекания (обжига) —давление, температура, время выдержки — зависят от типа спекаемого материала, дис­персности, плотности прессования (формования), толщины детали. Обычно температура спекания колеблется в интервале 0, 7—0, 9 от температуры их плавления; так, для основных тугоплавких окислов температура спекания составляет 1700—2000°С, для фрикционных материалов и по­ристых подшипников на основе меди — 700—750°С и т. д. Как правило чем выше температура спекания, тем меньше пористость готовой де тали.

Поскольку в большинстве случаев окисная керамика трудно под­дается механической обработке (отделке) и при обжиге имеет месте значительная усадка (иногда до 25—30%) > то спекание ведут в два прие­ма. После предварительного низкотемпературного спекания, при кото­ром происходит наибольшая усадка, а материал еще не приобретает окончательной твердости, производят механическую обработку, а затем уже окончательное спекание.

Иногда предварительно обжигают исходные порошки перед их из­мельчением и использованием для оформления изделий. Это позволяет снизить усадку во время изготовления детали, облегчая получение пра­вильной формы и точных размеров. Так, например, поступают с окисла ми, в частности техническим глиноземом (А1₂О₃), который при обжиге при 1300—1400° С переходит из γ -формы в α -форму, т. е. в керамическую форму, соответствующую готовой детали. При этом объемный вес увеличивается с 3, 45 до 3, 99 и достигается объемная усадка в 13%.

Доработка соответственно технологическому процессу заклю­чается в зачистке заготовок и изделий, калибровании, точении, фрезе­ровании, сверлении, обработке ультразвуком и т. п. при помощи специ­ального инструмента. Ультразвуком обрабатываются обычно детали из наиболее хрупких материалов.

На всех этапах изготовления деталей и изделий контролируются исходные металлические порошки и смеси порошков (насыпной вес, текучесть), брикеты и готовые детали (изделия). Внешним осмотром можно выявить трещины, раковины, расслоения, оплавления. Внутренние дефекты выявляются рентгеноскопией. Кроме того, отдельные детали из партии подвергаются механическим и химическим испытани­ям и металлографическому контролю с целью определения текучести равномерности распределения компонентов в шихте, пористости, твердости и т. д.

При разработке технологических процессов изготовления деталей, изделий из порошковых материалов необходимо соблюдать следующие правила:

1) выполнять отверстия по возможности круглого сечения;

2) соблюдать равномерность толщины стенок деталей;

3) избегать резких переходов от толстых сечений к тонким.

При определении целесообразности применения методов порошковой металлургии для изготовления деталей, которые могут быть получены и другими способами, следует принимать во внимание в первую очередь масштаб производства и сложность детали.

Ниже в качестве примера приводится схема технологического про­цесса изготовления втулки из бронзографита методом холодного прессования. Исходные материалы: Си, Zn, С.

Тема 1.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СБОРКИ САМОЛЕТОВ