Способ изготовления изделий из порошка со сквозными каналами

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в технологии изготовления металлокерамических изделий с отверстиями небольшого диаметра. Способ изготовления изделий из порошка со сквозными каналами включает формирование заготовки путем прессования порошка материала изделия с размещенными в нем согласно местам расположения будущих каналов в изделии технологическими элементами и спекание при температуре, равной (1,010-1,1) температуры плавления материала, из которого выполнены технологические элементы. При этом технологические элементы выполняют из металла, который в жидком состоянии является смачивающим по отношению к материалу изделия. Температура плавления металла, из которого выполнены технологические элементы, равны (0,7-0,8) температуре плавления материала изделия.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в технологии изготовления металлокерамических изделий с отверстиями небольшого диаметра.

Известен способ изготовления изделий из порошка со сквозными каналами (авт. св. СССР N 791461), включающий формирование из металлического порошка спеченной пористой заготовки, пропитку пористой заготовки металлом, который является смачивающим по отношению к материалу заготовки и имеет температуру плавления ниже температуры плавления материала заготовки, продувку пропитанной металлом пористой заготовки газом под давлением Р, равном Р 4 σ cos Θ /d_m, (1) где σ поверхностное натяжение пропитывающего металла, Θ краевой угол смачивания материала заготовки пропитывающим металлом, d_m минимальный диаметр пор, из которых пpоисходит выдавливание пропитывающего материала при продувке.

При этом продувку пропитанной металлом пористой заготовки осуществляют в направлении формируемых сквозных каналов, а после продувки изделие охлаждают и удаляют с ее поверхности остатки выдавленного металла.

Изделия, полученные описанным выше способом, имеют сквозные каналы неправильной формы, а диаметр каналов колеблется от d_m до диаметра, равного максимальному диаметру пор. Вследствие этого известный способ имеет ограниченную область использования. Другими недостатками этого способа являются сложность используемой при его осуществлении оснастки и большая длительность технологического процесса изготовления готового изделия, обусловленная, во-первых, необходимостью пропитки всей заготовки, а во-вторых, удалением пропитывающего металла из формируемых сквозных каналов. Кроме того, известный способ не обеспечивает получения сквозных каналов с точно ориентированным их положением относительно геометрических параметров изделий.

Известен также способ изготовления изделий из порошка со сквозными каналами, включающий установку в матрицу технологических элементов согласно местам расположения будущих каналов в изделии, заполнение матрицы порошком материала изделия, формирование заготовки путем прессования порошка, спекание и удаление технологических элементов, причем технологические элементы выполняют из материала, образующего при спекании с материалом изделия эвтектический сплав, а перед удалением технологических элементов заготовку нагревают до температуры плавления эвтектического сплава [1] Известный способ позволяет изготавливать изделия, имеющие сквозные каналы требуемого сечения и прямолинейной формы. Кроме того, за счет образования эвтектической жидкой фазы на поверхности технологических элементов при их удалении из заготовки не происходит образования механических дефектов на поверхности каналов, а сама поверхность каналов получается сплошной за счет "замазывания" жидкой фазой пор, выходящих на эту поверхность.

Недостаток этого способа заключается в том, что он не может быть использован при изготовлении изделий из порошка со сквозными каналами, имеющими маленький диаметр, так как при извлечении технологического элемента (проволоки) небольшого диаметра часто имеет место обрыв технологического элемента. Иными словами, при уменьшении диаметра каналов возрастает трудоемкость и брак при изготовлении изделий. Низкий процент выхода годных изделий, изготовленных по описанному выше способу, обусловлен также нарушением сплошности стенок каналов. Нарушение сплошности стенок каналов является следствием целого ряда факторов: недостаточным количеством эвтектической жидкой фазы, неравномерностью скорости извлечения технологического элемента из заготовки, поперечным смещением извлекаемого технологического элемента, наличием на поверхности каналов пор большого диаметра и т.п. Кроме того, известный способ имеет большую длительность технологического цикла.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ изготовления изделий из порошка со сквозными каналами, в котором технологические элементы выполнены из такого металла, физико-химические свойства которого обеспечили бы в процессе спекания самопроизвольное удаление технологических элементов из каналов с одновременным формированием сплошных стенок каналов, что привело бы к сокращению длительности технологического процесса, повысило бы процент выхода годных вне зависимости от диаметра каналов, а также обеспечило бы получение каналов любой формы.

Поставленная задача решена тем, что в способе изготовления изделий из порошка со сквозными каналами, включающем формирование заготовки путем прессования порошка материала изделия с размещенными в нем согласно местам расположения будущих каналов в изделии технологическими элементами, спекание и удаление технологических элементов из каналов, согласно изобретению технологические элементы выполняют из металла, который в жидком состоянии является смачивающим по отношению к материалу изделия и имеет температуру плавления Т_t (0,7-0,8)Т_u, где Т_u температура плавления материала изделия, а спекание, в процессе которого происходит удаление технологических элементов из каналов, осуществляют при температуре, равной (1,01-1,1)Т_t.

Преимущество предлагаемого способа изготовления изделий из порошка со сквозными каналами перед известными заключается в том, что при осуществлении операции спекания заготовки происходит не только расплавление запрессованных в ней технологических элементов (поскольку температура спекания выше температуры Т_t), но и заполнение металлом, из которого выполнены технологические элементы, всех пор, расположенных в стенках сквозных каналов, так как металл, из которого выполнены технологические элементы, является смачивающим по отношению к материалу изделия. В результате, одновременно с процессом спекания заготовки происходит удаление материала технологических элементов из каналов и формирование сплошных стенок каналов за счет заполнения пор, расположенных в их стенках.

Это позволяет упростить способ и сократить длительность технологического процесса с одновременным увеличением процента выхода годных изделий. Кроме того, предлагаемый способ может быть использован при изготовлении изделий со сквозными каналами любой формы, постоянного или переменного сечения по длине. Иными словами, область использования предложенного способа намного шире известных.

Способ осуществляется следующим образом.

В форму засыпают порошок материала изделия, в котором согласно местам расположения сквозных каналов в изделии размещают предварительно изготовленные технологические элементы необходимой конфигурации и размеров. При этом возможны два варианта выполнения этой операции. Согласно первому варианту каждый технологический элемент устанавливается в форму, а затем оставшееся свободное пространство формы заполняют порошком материала изделия. Согласно второму варианту форму заполняют сначала порошком до уровня, соответствующего расположению первого(ых) технологического(их) элемента(ов), на поверхности слоя порошка размещают элемент(ы), затем заполняют форму порошком до уровня, соответствующего расположению следующих технологических элементов и т.д. до полного заполнения формы. Затем любым известным способом формируют заготовку, которую после извлечения из формы подвергают спеканию при температуре, равной (1,01-1,1) температуры плавления металла, из которого выполнены технологические элементы. После проведения спекания изделие охлаждают и направляют на дальнейшую обработку согласно конкретным требованиям, предъявляемым к тому или иному изделию.

В качестве порошка материала изделия может быть использован либо порошок металла, либо смесь порошков различных металлов, либо смесь различных материалов. В случае использования в качестве материала изделия смеси порошков осуществляют перемешивание исходных порошков в специальных смесителях до получения однородной порошковой массы. Для облегчения формирования заготовки могут быть использованы стандартные приемы порошковой металлургии: добавки в исходную шихту различных твердых смазок, а также связующих веществ в случае использования труднопрессуемых порошков и т.п.

Формирование заготовки может быть осуществлено с помощью любых прессов, развиваемых давление от 50 до 11200 МПа в зависимости от используемого материала.

Технологические элементы выполняют из металла, который в жидком состоянии является смачивающим по отношению к материалу изделия, и с температурой плавления, равной (0,7-0,8) температуры плавления материала изделия. Для предотвращения деформации изделия объем технологических элементов не должен составлять более 10% от объема изделия. Для обеспечения сплошности стенок сквозных каналов при диаметре их меньшем 0,1 мм необходимо подобрать параметры порошка и режимы прессования такими, чтобы пористость материала готового изделия удовлетворяла следующему соотношению, полученному экспериментально: п ≅ (2) где П пористость материала изделия, d минимальный диаметр сквозного канала в изделии, м.

В процессе спекания заготовки в результате взаимодиффузии материалов изделия и технологических элементов происходит упрочнение стенок сквозных каналов. Здесь следует отметить, что нарушение сплошности стенок каналов может произойти в том случае, когда изготавливаются изделия с каналами малого диаметра, а коэффициент диффузии материала технологических элементов много больше коэффициента диффузии материала изделия в материал технологических элементов. В этом случае накладываются дополнительные условия на допустимую пористость материала изделия: она не должна быть слишком велика. Предельно допустимая пористость материала изделия в этом случае должна быть определена экспериментально для каждой пары материалов, используемых при изготовлении изделий.

Операцию спекания заготовки с запрессованными в нее технологическими элементами осуществляют в защитной атмосфере (водород, азот и т.п.) или в вакууме.

П р и м е р.

Предлагаемым способом были изготовлены детали со сквозными каналами. В качестве исходного материала был взят порошок нержавеющей стали IIХ13М2 (ТУ 13084-88), в который был добавлен порошок графита в количестве 0,7% Смесь порошков перемешивалась в смесителе в течение двух часов. Засыпка смеси порошков в форму осуществлялась в два этапа: сначала засыпалась первая порция, затем на поверхность порошка укладывался технологический элемент, выполненный в виде медной проволоки диаметром 0,4 мм, после чего засыпалась в форму вторая порция смеси порошков. Формирование заготовки осуществлялось с помощью гидравлического пресса марки ДБ-2432 методом двухстороннего прессования с удельным давлением, равным 5 тс/см².

Спекание полученных заготовок осуществлялось в вакуумной электропечи СНВ-1.3.1. /16 И1 в течение двух часов при температуре 1200^оС. Затем осуществлялось медленное охлаждение готовых изделий в течение трех часов.

Готовые изделия имели усадку, равную 2% плотность 6,2-6,4 г/см², пористость 17-20% Контроль сквозного канала показал, что отсутствуют незаполненные медью поры на стенках канала у всех деталей. Для повышения твердости материала изделия подвергались термообработке: нагрев до 1050^оС, выдержка 1 ч при этой температуре, закалка в масло, отпуск при 500-600^оС в течение 2 ч.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать методом порошковой металлургии детали со сквозными каналами, которые имеют сплошные стенки. При использовании в качестве материала деталей металлов на основе меди (медь, латунь, бронза) в качестве материала для технологических элементов может быть использован цинк с добавками кадмия, свинца и олова в количестве 1-5%

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКА СО СКВОЗНЫМИ КАНАЛАМИ, включающий прессование порошка материала изделия с размещенными в нем согласно местам расположения будущих каналов в изделии технологическими элементами, спекание и удаление технологических элементов, отличающийся тем, что технологические элементы выполняют из металла, который в жидком состоянии является смачивающим по отношению к материалу изделия и имеет температуру плавления T_t = (0,7 - 0,8) Т_и, где Т_и - температура плавления материала изделия, T_t - температура плавления технологического элемента, а удаление технологических элементов осуществляют в процессе спекания, которое проводят при температуре (1,01 - 1,1)T_t.