CC BY
1
УДК 669.015.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-484-485
ЗАВИСИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ MIM-ТЕХНОЛОГИЕЙ, ОТ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО
ПОРОШКА
А.И. Вальтер, А.Е. Завьялов
Приведены результаты исследования влияния способа получения исходного металлического порошка на механические свойства деталей. Установлено, что использование металлических порошков, полученных с помощью газового распыления, обеспечивает изготовление более качественного изделия.
Ключевые слова: порошковая металлургия, М1М-технология, инжекционное формование заготовок, стальные сплавы, фидсток, спекание, механические свойства.
В настоящее время большое внимание уделяется развитию высоких технологий для мало- и безотходных производств изделий. В первую очередь к ним относятся технологии, берущие начало от порошковой металлургии, например, аддитивные технологии. При производстве деталей методами порошковой металлургии большое влияние на качество изделий оказывает способ получения металлических порошков.
На практике известно большое количество методов получения металлических порошков, разнообразие которых обусловлено технологическими возможностями изготовления порошков несколькими способами, а также из разного вида сырья. Основная классификация способов получения металлических порошков подразделяется на физические, химические и физико-химические процессы. Наибольшее распространение в промышленности получили способы восстановления, распыления расплава, электролиз, автоклавный, карбонильный, а также механическое измельчение.
Каждый из указанных выше способов получения характерен для определенного состава шихты. Основными критериями для получения качественных заготовок и деталей методами порошковой металлургии с высокими эксплуатационными характеристиками, являются примесные элементы и форма частиц порошка.
Так присутствие кислорода в шихте, используемой для получения фидстока (гранулированный металлический порошок с органической или полимерной составляющей), является отрицательным фактором при производстве качественных деталей. Он значительно влияет на технические характеристики, оказывает отрицательное влияние на чистоту поверхности детали и температуру спекания деталей [1]. Кислород в шихте может присутствовать в виде включений или поверхностных оксидах.
С целью удаления кислорода из заготовки, который содержится в виде поверхностных оксидов, приходится увеличивать температуру обработки заготовки, что в свою очередь приводит к высоким энергетическим затратам при ведении технологического процесса.
Оценка влияния способа получения исходного материала на механические свойства деталей, полученных способами порошковой металлургии.
В качестве исследуемого материала рассмотрим 10 стальных образцов из конструкционной легированной (12Х17): 5 образцов, изготовленных с использованием порошка, полученного водным распылением и 5 образцов - в газовой среде.
Процесс распыления заключается в изготовлении порошка из жидкого расплава распылением капелек. Распыление расплавленного потока жидкости возможно воздухом, азотом, гелием, аргоном, водой или маслом.
Газовое распыление обычно выполняется в инертной среде, которое уменьшает загрязнение. При этом в основном достигается сферическая форма частиц порошка с широким распределением по размерам. Распыленные газом порошки химически однородны и имеют значительную плотность упаковки.
484
В таблице приведены характеристики, полученных порошков.
Измерение плотности деталей, изготовленных из порошка с водным и газовым __распылением __
Тип порошка Размер частиц (мкм) Номер испытания Пористость (%) Средняя пористость (%)
1 3,08
2 3,75
С водным распылением 90% - 20-24 3 4,04 3,6
4 3,38
5 3,52
6 3,85
1 0,52
2 0,48
С газовым распылени- 90% - 20-23 3 0,52 0,572
ем 4 0,63
5 0,57
6 0,71
Давление газа (3 - 8 МПа) приводит к получению минимальных размеров частиц, что способствует увеличению стоимости порошка из-за использования большего количества газа при распылении.
Данный метод подходит для изготовления порошка из высоколегированных сталей с малым размером частиц, часто с заданной формой частиц и высокими плотностями упаковки.
Распыление водой высокого давления используется для изготовления округлых, предварительно легированных частиц для МГМ-технологии. Процесс в основном подобен распылению газом, однако наблюдается быстрая закалка металла. Более высокое давление воды приводит к образованию более мелких частиц. Окисление от взаимодействия расплава и воды требует водородного восстановления после распыления. Обычно, измельченные водой порошки дополнительно обрабатываются для образования округлой формы частиц и улучшения упаковки. При отсутствии данной стадии вязкость фидстока является достаточно высокой.
В отличие от газового распыления, при распылении водой образуются частицы, имеющие овальную форму. Следует отметить, что при проведении работ не учитывалось влияние связующего вещества. Смесь порошка и связующего вещества соответствовала реологическим критериям, которые обеспечивали смешивание и формование без дефектов.
Для оценки влияния температуры спекания заготовки на плотность конечной детали была определена плотность порошка материала заготовки по методике в соответствии с ГОСТ 20018-74 [2].
Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод о том что, более низкий уровень пористости материала можно получить в обработанной и спечённой детали за счет использования порошка, полученного газовым методом распыления. Использование ультрадисперсного порошка с водным распылением способствует снижению уровня пористости. Однако результаты исследования показывают, что порошки с газовым распылением, пусть даже с более высоким фракционным составом, обеспечивают более высокую плотность [3].
Помимо низкого содержания кислорода для порошков, полученных газовым методом распыления, для них так же характерна сферическая форма частиц и высокая плотность их упаковки. Все это обеспечивает значительно более высокие механические свойства спеченной детали, что было подтверждено проведением экспериментов по определению их механических свойств: испытания на твердость по ГОСТ 9013-59 (рис.1) и на прочность по ГОСТ 1497-84 (рис.2).
Проанализировав данные, полученные в ходе испытаний, было установлено, что механические свойства при растяжении и значения твердости опытных образцов,
изготовленных из порошка с газовым распылением (график 1 на рисунках 1 и 2), на 5 -10 % выше, чем у деталей из порошка полученных водным распылением (зависимость 2 на рисунках 1 и 2).
I:
поо
| I 1200
ь ш
£■1 1000 ^
г® И |! 800
то 1260 1280 1300 1320 1340 1360 Температура ( О
Рис. 1. Зависимость предела прочности от температуры спекания
то 1260 1280 1300 1320 Ш 1360 Температура ( О
Рис. 2. Зависимость твердости от температуры спекания
Более высокие характеристики объясняются повышенной плотностью материала детали, полученной из порошка газовым распылением. Так же можно сделать вывод, что для получения равноценной прочности, твердости и пластичности можно использовать более низкую температуру спекания.
При этом заменив порошок, полученный водным распылением на порошок, полученный газовым распылением с более крупным размером частиц. Такая замена является более экономически выгодной в виду меньших энергетических затрат.
Выводы:
1.Использование металлических порошков с газовым распылением для изготовления деталей с помощью МГМ-технологии имеет преимущества в отличие от порошков с водным распылением, а именно - улучшенные свойства изделия (снижение шероховатости поверхности изделия (ЯхЮО - ^г50);
2. Улучшенные механические свойства: повышение предела прочности на (9 -10 %) и твердости в среднем на 6 - 8 %. Твердость МГМ-деталей не равна естественной твердости материала, из которого она состоит: она может достигать лишь 94 - 96 % твердости сплошного материала. Тем не менее, это высокое значение, означающее, что прочность деталей, изготовленных по МГМ-технологии близка к прочности деталей, полученных на металлорежущих станках и значительно превышает прочность обычных порошковых деталей.
Использование порошков с газовым распылением также способствует снижению производственных издержек, благодаря использованию меньшего количества связующего, экономии энергии при спекании и стабильности процесса, что приводит к более высокому уровню качества получаемых заготовок.
486
Список литературы
1. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991. 205
с.
2. ГОСТ 20018-74. Сплавы твердые спеченные. Метод определения плотности М.: Изд-во стандартов, 1986.
3. Вальтер А.И., Протопопов А.А. Основы литейного производства. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 331 с.
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россич, Тула, Тульский государственный университет,
Завьялов Арсений Евгеньевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE DEPENDENCE OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE PARTS OBTAINED BY MIM TECHNOLOGY ON THE METHOD OF OBTAINING METAL POWDER
A.I. Valter, A.E. Zavyalov
The results of the study of the effect of the method of obtaining the initial metal powder on the mechanical properties of parts are presented. It has been established that the use of metal powders obtained by gas spraying ensures the manufacture of a higher-quality product.
Key words: powder metallurgy, MIM technology, injection molding of blanks, steel alloys, feedstock, sintering, mechanical properties.
Valter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Zavyalov Arseniy Evgenievich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
