Министерство
образования Российской федерации
* *
*
Донской государственный
технический университет
=============================================================
Кафедра «Технология
конструкционных материалов »
ИССЛЕДОВАНИЕ технологических СВОЙСТВ
ПОРОШКОВ И
СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
М е т о
д и ч е с к и е у к а з а н и я
по
выполнению лабораторной работы
Ростов-на-Дону
2003
Составители : проф., д.т.н. Люлько В.Г.,
с.н.с., к.т.н.
Шугай К.К.,
ст.пр., к.т.н. Кем А.Ю.
ст.преп. КрСМК Малофеева
С.А.
УДК 621.762.4
ИССЛЕДОВАНИЕ технологических СВОЙСТВ
ПОРОШКОВ
И СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания по выполнению
лабораторной работы / ДГТУ, Ростов н/Д.,
2003. 12 с.
Методические указания предназначены для
студентов, изучающих ( в том числе по дистанционной форме образования) базовые
курсы «Технология конструкционных материалов» и «Технологические процессы
машиностроительных производств», (разделы «Технология композиционных
материалов», «Порошковая металлургия» и др.), а также проходящие учебно-ознакомительную
практику на учебно-научно-производственном участке и лаборатории порошковой
металлургии кафедры «Технологии конструкционных материалов» .
Методическое пособие раскрывает основные
приемы технологии порошковой металлургии, cвойства исходных порошков и
спеченных порошковых материалов и
призвано направить самостоятельную работу студентов в освоении практических
навыков по изучаемым дисциплинам .
Печатается по
решению методической комиссии факультета
«Технология
машиностроения»
Научный редактор
- проф., д.т.н. Рубанов В.В.
Рецензент – зав.каф. ОМД,
проф., д.т.н. Мороз Б.С.
ã - Центр
дистанционного образования Д Г Т У,
2003
1. Цель работы
Ознакомиться с технологией
порошковой металлургии, изучить технологические свойства порошков и
спеченных порошковых материалов, изготовить образцы материалов по технологии
«прессования – спекания» и протестировать их .
2. Общие сведения
Порошковая металлургия (ПМ) -
отрасль технологии, занимающаяся
производством порошков металлов, сплавов и
металлоидов и изготовления из них
или их смесей с неметаллическими порошками (в том числе органическими)
разнообразных материалов и изделий, консолидация которых происходит без
расплавления основного компонента. Порошковая технология позволяет получать достаточно сложные
и точные детали (см. стенд в лаборатории) из несмешиваемых другими способами исходных компонентов (например,
железо и стекло, медь и графит и пр.),
высокопроизводительными методами –
прессование, горячая и холодная штамповка, экструзия, прокатка.
Суть метода ПМ заключается в том, что из
отдельных порошков или их смесей (шихты)
формуют заготовки, которые
затем с целью обеспечения требуемых свойств подвергают термической обработке – спеканию. Полученные по такой технологии
– «прессования - спекания» – изделия,
называют также спеченными. Эти изделия, в зависимости от назначения и
предъявляемым к ним требованиям, непосредственно поступают в эксплуатацию в
узлы машин и механизмов или подвергаются дополнительной обработке – калибровке,
мехобработке, пропитке маслом, химико-термической обработке и нанесению
покрытий, сборки в комплекты и т.п. Иногда целесообразно совмещать операции
прессования и спекания, что достигается при горячем формовании : статическом и
динамическом горячем прессовании, штамповке, экструзии (выдавливании), взрывном
и горячем изостатическом прессовании (ГИП) и др.
В промышленности используются порошковые
композиционные материалы и изделия различных классов и назначения: одно- и
поликомпонентные, высоко-плотные и каркасные ( пористые ),
керамико-металлические и металло-пластико-вые, структурно-неоднородные и
функционально-градиентные, эффективное изготовление которых возможно благодаря
развитию технологии порошковой металлургии.
Наиболее употребительными среди них являются (см. стенды в лаборатории)
:
- материалы
для узлов трения (антифрикционные и фрикционные): самосмазы-вающиеся
подшипники скольжения, вкладыши, подпятники, детали сцеплений, тормозные
колодки и диски и др., изготавливаемые на основе железа и меди с присадками графита,
асбеста, абразивов, стекла, органических и неорганических волокон и
наполнителей ;
- конструкционные
спеченные изделия : зубчатые колеса и синхронизаторы, фа-сонные рычаги и
пластины, поршневые кольца, фланцы, направляющие втулки и ролики и др.,
заменяющие подобные изделия из проката и
литья, но изготавлива-емые при значительном ресурсо- и
материалосбережении.
- фильтровые и каркасные изделия
: фильтры для очистки жидкостей и газов, ог-непреградители, экраны,
носители катализаторов, пористые поглотители и тепло-обменники и др.,
изготавливаемые на основе порошков железа, нержавеющей стали, бронзы, керамики,
стекла;
- инструментальные
материалы : твердые сплавы на карбидной (WC- W2C; TiC; TaC; SiC) и
оксидной (Al2O3) основах (минералокерамика,
керметы ), искусствен-ные алмазы, эльбор ( b- BN ), порошковые быстрорежущие
стали (Р6М5), из кото-рых изготавливают режущие пластины резцов и фрез, сверла,
пилы, прессовый инструмент и др., в том
числе с многослойными износостойкими покрытиями типа Ti(N,C);
- износостойкие
электротехнические изделия на основе порошков меди : кон-такты (в том числе сильноточные,
каркасно-наполненные типа W – Cu), свароч-ные электроды и
наконечники (композиции типа Cu – Al2O3, дисперсноупрочнен-ные ),
«щёточные» материалы (токосъёмникина основе
«Cu – графит») для город-ского и магистрального
электротранспорта, электродвигателей и генераторов;
- керамические
материалы на основе оксидов,
карбидов, нитридов, боридов :
электронагреватели сопротивления (силиты SiC ), жаростойкие сопла, дозаторы и распылители
металлических расплавов, чехлы термопар,
элементы двигателей внутреннего сгорания – поршни, выхлопные трубы,
блоки и головки цилиндров (сиалоны SiAlON, нитриды семейства
Si3N4 ), теплозащитные огнеупорные
элементы авиа-космической техники (конструкционная модифицированная керамика
Al2O3- ZrO2 );
- высокотемпературные
материалы, получаемые на основе тугоплавких металлов и сплавов (W, Mo, Nb, Ta, Zr , Hf и др.), перерабатываемые исключительно по технологии
порошковой металлургии в изделия – нагреватели, сварочные и ламповые электроды,
элементы электровакуумного оборудования, ядерных реакторов, ракетной техники;
- металло-волокновые
и металло-пластиковые конструкции: спортивное снаряжение (ракетки, шесты,
лыжи, альпинистские крючья и карабины), трубы, рамы, панели, изготавливаемые на
основе матричнонаполненных композиций «алюминий-углерод», «углеграфит»,
«углепластик», металло-полимер.
Для современной ПМ в целом характерно
значительное расширение объемов производства общемашиностроительных материалов
на основе железа, меди, алюминия. В, частности, до 60%
продукции ПМ потребляет автомобилестроение (7 – 15 кг порошковых изделий на автомобиль);
в комбайнах “Нива” и “Дон” используется
свыше 70-ти наименований порошковых изделий общей массой свыше
10 кг.
Базовым материалом для таких изделий
является железный порошок (крупнейшим производителем которого
является Сулинский металлургический завод, г.Кр. Сулин ), из которого и его смеси
с порошками меди (1,5 – 5 %), графита
(0,5 – 3 %) и др. производится
основная номенклатура антифрикционных и конструкционных изделий.
Основные технологические операции
при изготовлении деталей методами порошковой металлургии состоят в
следующем (см. плакат в лаборатории) :
1 – получение порошков (на практике используется
восстановление оксидов, распыление расплавов водой и газами, размол природного
сырья (минералов), стружки, спеков, и пр.
2 -
приготовление шихты (порошковой смеси, композиции ),
3 – формование (прессование),
4 -
спекание (термическая обработка),
5 – дополнительная обработка ( пропитка маслом,
обработка резанием, нанесение покрытий и
т.п.).
К
технологическим свойствам металлических порошков, определяемых в работе
относятся :
- насыпная плотность – плотность свободно
насыпанного порошка;
- плотность утряски – плотность насыпанного
порошка после его утряски до постоянного объёма.
Промежуточной технологической заготовкой порошковой детали является
прессовка , т.е. спрессованная из порошка заготовка не подвергавшаяся спеканию. У прессовок определяется плотность и упругое
диаметральное последействие – разность диаметра прессовки и матрицы
пресс-формы, отнесенная к диаметру пресс-формы ( в процентах).
У
готовых спеченных образцов (изделий ) определяется пористость, твердость и
усадка по высоте и диаметру , происходящая в результате спекания.
Пористость – это отношение объема
порошка к объему пористого тела, выраженная в процентах.
Твердость – сопротивляемость материала проникновению в него индентора
(наконечника) из более твердого материала ( в работе используется стальной
закалённый шарик ø2,5 мм ).Твердость определяется на прессе Бринелля,
имеет размерность кг/см2 (Мпа)
, обозначается «НВ».
Усадка по диаметру и/или высоте образца
определяется как отношение разности высоты или диаметра образца до
спекания (прессовка) к высоте или диаметру изделия после спекания (в процентах).
3.
ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ.
3.1. Шихта ( смесь порошков ) заданного состава,
например железо - медь –
графит марки ЖД2,5Гр1: железо- основа, медь- 2,5%, графит – 1,0%
(см.
банку с шихтой на рабочем месте ).
3.2. Валюмометр (рис.1)– приспособление для определения
насыпной плотности.
3.3. Мерный стакан, объемом 50 см3 и определенной массы
(указано на дне
стакана ).
3.4. Весы
лабораторные с разновесами.
3.5. Мерный стаканчик для дозирования шихты и
заполнения пресс-формы.
3.6. Пресс-форма : матрица и два пуансона – нижний и
верхний (рис.2 а,б).
3.7. Кольцо для выпрессовки образца ( рис.2 ,
б).
3.8. Пресс гидравлический усилием 7 т.
3.9. Пенал для спекания ( 3 шт.).
3.10. Печь электрическая с рабочей температурой
800 – 1000оС
3.11. Микрометр (0– 25 мм ).
4.
ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
4.1. Самостоятельное включение и выключение печи
не допускается.
4.2. Установка в печь пеналов с образцами и их выемка
осуществляется только
преподавателем или лаборантом.
4.3. Прикасаться к вынутым из печи пеналам можно
только убедившись в их
полном остывании .
5.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5.1.
Ознакомиться с общими сведениями о порошковой металлургии.
5.2.
Ознакомиться с правилами по технике безопасности.
5.3.
Подготовить форму отчета в соответствии с разделом 6.
5.4.
Изучить свойства исходных порошков, а именно :
5.4.1. Засыпать с небольшим избытком порошок в мерный стакан через
волюмометр.
5.4.2. Снять ровной пластиной избыток порошка в мерном стакане..
5.4.3. Взвесить мерный стакан с порошком -Мст .
5.4.4. Получить три таких навески порошка.
5.4.5. Рассчитать среднюю массу по 3-м взвешиваниям
( 1 )
где:: м1, м2,м3, мнас
– соответственно результаты 3-х взвешиваний и среднее их
значение [ г ],
5.4.6. Рассчитать насыпную плотность
порошка
(2)
где: мнас ; Мст – масса мерного
стакана с порошком и масса стпкана, г;
V - обьём мерного стакана, ( 50 см3 )
5.4.7.Засыпать порошок в мерный стакан и последовательными
постукиваниями стакана и досыпанием
порошка добиться полного уплотнения порошка
при постоянном его объёме.
5.4.8.Получить три навески порошка после его утряски и рассчитать
плотность
утряски порошка
(3)
где: мут
_ средняя масса навески утрясенного порошка в мерном стакане.
5.4.9.Результаты взвешивания и
расчетов занести в протокол ( см. раздел 6.4,
таблица 2).
5.5.Изучить
свойства прессовок, а именно :
5.5.1.
Вставить в пресс-форму нижний пуансон.
5.5.2.
Отметить мерным стаканчиком для заполнения пресс-формы порцию
шихты и засыпать в пресс-форму.
5.5.3.
Вставить верхний пуансон и установить пресс-форму на стол пресса.
5.5.4.
Прессовать до давления, задаваемого преподавателем ( 70 –100 кг/см2 )
5.5.5.
Выпрессовать изделие (прессовку) из
пресс-формы.
5.5.6.
Последовательно изготовить три изделия (прессовки) .
5.5.7.
Определить массу прессовки взвешиванием - Мпр .
5.5.8.
Измерить высоту и диаметр каждой прессовки
- hпр; dпр
и определить
объём прессовки Vпр
.
5.5.9.
Рассчитать плотность каждой прессовки .
(4)
5.5.10. Рассчитать среднюю плотность прессовки :
(5)
5.5.11.
Рассчитать упругое диаметральное последствие для каждой прессовки
(6)
где: d –
диаметр пресс-формы, мм (указано на пресс-форме ).
1 – воронка загрузочная, 2 – волюмометр, 3 – мерный стакан Рис. 2. Пресс-форма 1 – верхний пуансон, 2- матрица, 3 - нижний пуансон, 4 – плунжер пресса, 5 – втулка для выпрессовки, 6 - прессовка (изделие-полуфабрикат)
Рис. 1 . Волюмометр
5.5.12. Рассчитать
среднее упругое диаметральное последствие:
(7)
5.5.13. Результаты взвешиваний, измерений и расчетов занести в
протокол
(разлел 6.5, таблица 3).
5.6. Провести спекание образцов и изучить их
свойства, а именно :
5.6.1.
Назначить температуру спекания (tспоС = Tсп
– 273 ) порошкового
материала исходя из известной эмпирической зависимости:
T сп
= (0,6 - 0,9 ) T
пл, где T пл = tплоС + 273 ) – абсолютная
температура
плавления основного компонента шихты, см. табл.1 )
5.6.2.
Загрузить прессовки в пеналы и
установить пеналы в печь.
5.6.3.
Выдержать в печи 15 мин. образец №1,
вынуть и дать ему остыть .
5.6.4.
Измерить высоту и диаметр спеченного образца – h сп;
dсп и рассчитать
его объём Vсп
.
5.6.5.
Взвесить спеченный образец - Мсп.
5.6.6.
Измерить на прессе Бринелля твердость
образца – НВ .
5.6.7.
Повторить измерения и взвешивание
образцов, выдержав в печи образец
№2 – 30 минут, а образец №3 – 45 минут.
5.6.8.
Рассчитать усадку образцов после спекания, % (в работе определяется усадка
только по высоте ) :
% (8)
5.6.9.
Рассчитать плотность образцов
(9)
5.6.10. Рассчитать плотность беспористого компактного материала из шихты
того же состава, что и образцы, использую правило аддитивности :
(10
)
где : ai ; γi –
соответственно процентное содержание (см. задание) и плотность компонентов шихты (см. данные в табл.1 )
Таблица 1
|
Компонент шихты Свойство |
Железо Fe |
Медь Cu |
Графит C |
|
Плотность,
г/см3 |
7,8 |
8,9 |
2,2 |
|
Температура
плавления, t пл оС |
1539 |
1083 |
3300 |
5.6.11. Рассчитать пористость образцов
, %
(11)
5.6.12. Результаты взвешивания , измерений и расчетов занести в
протокол
(раздел 6.6, таблица 4).
5.6.13. Построить график зависимости твердости (НВ) от времени спекания
(t).
5.6.14. Сделать выводы на работе (о
преимуществах или недостатках
порошковой металлургии, о влиянии времени спекания, о наличии пор
в образцах, о характере полученных зависимостей и т.п. ).
6.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
6.1.Титульный лист (указывается кафедра,
названия работы, группа и Ф.И.О.
студента, Ф.И.О. и должность
преподавателя , дата выполнения работы; см. «Форму» на стр.12) ).
6.2. Цель работы.
6.3. Схема
прессования (рис.3,а).
6.4. Свойства порошков
Таблица 2
|
№№ п/п |
Масса порошка и мерного стакана, г |
Средняя масса порошка и мерного стакана, г |
Насыпная
плотность, г/см3 |
Масса
порошка и мерного стакана после утряски, г |
Средняя масса после утряски, г |
Плот-ность утряски, г/см3 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
3 |
|
|
6.5.Свойства прессовок
Таблица
3
|
№ № п/п |
Масса прессо- вок, г |
Размеры прессовок |
Плотность прессовок,
г/см3 |
Средняя
плотность г/см3 |
Упругое
последей-ствие, % |
Среднее упругое последей-ствие, % |
|
|
Диа-метр, мм |
Высота,
мм |
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
3 |
|
|
|
|
|
||
6.6.Свойства спеченных образцов
Таблица 4
|
№№
п/п |
Время
выдержки в печи , t,
мин. |
Масса
образ-цов, г |
Высота
образ-цов, мм |
Твёр-
дость, НВ (кг/см3) |
Плот-ность,
г/см3 |
Порис- тость,
% |
Усадка, % |
|
1 |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
45 |
|
|
|
|
|
|
6.7.Расчетные зависимости и численные
расчёты определяемых свойств.
6.8.График эависимости твердости образцов
(НВ) от времени спекания ( tсп).
6.9.Выводы по работе .
7.
Контрольные вопросы
7.1.
Чем занимается порошковая металлургия?
7.2.
Назовите основные этапы и операции изготовления порошковых деталей.
7.3.
Какие порошковые материалы и изделия используются в
машиностроении ?
7.4.
Перечислите измеряемые параметры порошков и спеченных изделий.
7.5.
Как выбирается температура спекания ?
7.6.
Для чего необходимо знать усадку порошковой детали ?
7.7.
Как влияет остаточная пористость на
свойства изделий ?
7.8.
Чем объясняется характер зависимости «твердость-время спекания»
порошковых материалов .
8. Литература
8.1. Процессы порошковой металлургии / Либенсон Г.А..Лопатин В.Ю. Комарницкий Г.В.- В 2-х т. Уч-к для Вузов М.:МИСИС,2001- Т1.368 с.Т.2,318 с. 8.2.Технология конструкционных материалов.Учебник под ред.
А.М.Дальского. М.:Машиностроение, 2002 . –490 с.
8.3.Технология композиционных материалов.Уч.
пособие // Рубанов В.В.,
Колотиенко С.Д., Кохановский В.А., Люлько В.Г. и др. / ДГТУ.Ростов
н/Д,
1995. – 89 с. с ил.
8.3. Порошковая металлургия
и напыленные покрытия / уч-к для
ВУЗов. Под ред.
Б.С.Митина.- М.: Металлургия, 1987.-791
с.
8.4. Порошковая металлургия: Энциклопедия международных стандартов.-
М.:ИПК Изд-во стандартов. Отв. Ред. Проф. Королев Ю.М. 1999. - 312 с
8.5. Технология получения и применение порошковых и композиционных
функциональных материалов//Сб.тр.межд.н.-т.конф. Отв ред. проф.
Люлько В.Г.,
Экспо-Центр, Ростов-н/Д., 2003, 258 с. с
ил.
Форма титульной страницы отчёта
Донской государственный
технический университет Кафедра «Технология конструкционных материалов » О
Т Ч
Ё Т по
лабораторной работе ИССЛЕДОВАНИЕ технологических СВОЙСТВ ПОРОШКОВ И
СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ Выполнил
студент гр_________ ( Подпись, дата ) ( Ф.И.О.) Проверил (должность)__________ ( Подпись, дата ) ( Ф.И.О.) г. Ростов-на-Дону 2003
г.