Прессование в порошковой металлургии | давление и плотность

Прессование в порошковой металлургии: давление, плотность и дефекты

Прессование в порошковой металлургии формует сыпучий металлический порошок в прессовку через засыпку матрицы и уплотнение. Детали на основе железа прессуют при 400-800 МПа, плотность прессовки достигает 85-92% теоретической, обычно 6,4-7,0 г/см³. Этот этап задает около 80% точности размеров после спекания.

Прессовка часто держит изгиб лишь при 5 МПа, это примерно прочность таблетки аспирина, и все же она задает большую часть конечной точности размеров; именно здесь работает прессование в порошковой металлургии. Ниже разобраны этапы: заполнение матрицы, три стадии уплотнения, кривая давление-плотность, затем плавающая матрица, теплое прессование, двойное прессование и типичные дефекты. Для общей картины сначала посмотрите этот обзор шести процессов.

Основные выводы

• Детали на основе железа прессуют при 400-800 МПа, полный промышленный диапазон MPIF составляет 138-965 МПа.
• Плотность прессовки достигает 85-92% теоретической, обычно 6,4-7,0 г/см³.
• Для одноосного прессования отношение длины к диаметру не более 2,5:1; при 2:1 и выше переходят на двустороннее прессование и удерживают разброс плотности в пределах 5%.
• Теплое прессование нагревает порошок и матрицу до 120-145 °C и добавляет 0,1-0,2 г/см³, поднимая плотность выше 7,3 г/см³.
• Прочность прессовки проверяют трехточечным изгибом, обычно не ниже 5 МПа.

Прессование в порошковой металлургии: место в технологической цепочке

Стандартный маршрут: подготовка порошка, прессование, спекание, калибровка. В цепочке прессование в порошковой металлургии занимает второй шаг. Оно задает форму, размер и распределение плотности прессовки, а спекание лишь надстраивается сверху. Исправить градиент плотности оно уже не может.

По нашим производственным данным, около 70% отклонений по размеру после спекания уходит корнями в стадию прессовки; подробнее в разборе порошковой металлургии. Поэтому усилие пресса, зазор матрицы и способ заполнения заслуживают у закупщика не меньше внимания, чем температура спекания.

Yujiaxin Tech прессует детали из железа и нержавеющей стали при 400-800 МПа и переходит на двустороннее прессование, когда разброс плотности должен остаться в пределах 5%.

Три стадии: переупаковка, пластическая деформация, уплотнение

Этот этап проходит три стадии, у каждой свое окно давления.

• Переупаковка частиц (0-50 МПа): частицы скользят друг по другу и заполняют мелкие пустоты, плотность растет быстро.
• Пластическая деформация (50-200 МПа): точки контакта деформируются, частицы сцепляются, появляется прочность прессовки.
• Уплотнение (свыше 200 МПа): вся прессовка сжимается, пористость падает дальше, прирост плотности замедляется.

Раздел Powder Compaction на ScienceDirect показывает, как слабо плотность откликается на давление на третьей стадии. Переход с 600 на 800 МПа дает часто лишь 0,05 г/см³, а износ матрицы и нагрузка на пресс растут заметно.

Плотность прессовки от давления прессования

Кривая давление-плотность задает главную зависимость, и этот этап опирается на нее: больше давления дает больше плотности, но отдача падает. Форма кривой зависит от прессуемости порошка, а прессуемость определяется формой частиц, гранулометрическим составом и составом сплава.

MPIF в описании традиционного процесса указывает диапазон давления прессования 138-965 МПа; детали на основе железа в производстве обычно лежат в пределах 400-800 МПа. Справочник ASM Metals Handbook дает отраслевой стандарт 550-827 МПа (40-60 tsi).

По MPIF Standard 35 марки FC-0208 и FN-0205 дают около 6,4-6,8 г/см³, а SS-316L и SS-410L около 6,5-7,0 г/см³. Давление выбирают через баланс плотности, стойкости матрицы и стоимости пресса, а не через максимальное значение.

Заполнение матрицы: сыпучесть, масса засыпки, сегрегация

Заполнение матрицы выглядит простым и решает равномерность плотности. Плохая сыпучесть дает неравномерную засыпку, и пресс превращает это прямо в градиент плотности.

• Сыпучесть: измеряют на вискозиметре Холла; при медленном течении помогает добавка смазки 0,5-2 % по массе.
• Масса засыпки: высота засыпки задает высоту прессовки, и ошибка становится ошибкой массы, поэтому держат в пределах ±0,5%.
• Сегрегация: широкие фракции разделяются при транспортировке и засыпке, поэтому сокращают перевалки и ограничивают вибрацию бункера.

Смазку считают отдельно. Стеарат цинка работает при 0,5-2 % по массе, и 1 % по массе занимает около 5% объема. Больше смазки облегчает выталкивание, но отнимает объем у плотности и выгорает позже, оставляя поры. Это типичный компромисс.

Наш полный разбор производства деталей порошковой металлургии отмечает то же: стабильность заполнения влияет на размеры в партии не меньше, чем давление прессования.

Матрица и пресс: верхний и нижний пуансон, плавающая матрица, усилие пресса

Матрица и пресс обслуживают этот этап. Как давление доходит до порошка, решает конструкция матрицы.

• Одностороннее прессование: движется только верхний пуансон, плотность максимальна у этой торцевой поверхности; подходит до отношения L/D 2,5:1.
• Двустороннее прессование: верхний и нижний пуансоны нагружают одновременно, градиент меньше; предпочтительно от 2:1, разброс плотности в пределах 5%.
• Плавающая матрица: матрица смещается при прессовании от трения, что работает как двустороннее прессование, и подходит для длинных деталей.

Усилие пресса считают по площади проекции и целевому давлению. При 400-800 МПа и 50 см² нужно 200-400 тонн. Малого усилия не хватит для давления, большое даст матрице лишнее напряжение.

Спекание в порошковой металлургии идёт следующим шагом, и оба шага ограничивают друг друга по плотности и размеру, поэтому их оценивают вместе.

Теплое прессование и двойное прессование и спекание

Когда прессование в порошковой металлургии упирается в предел плотности стандартными средствами, в дело идут расширенные методы.

Теплое прессование порошков: порошок и матрицу нагревают до 120-145 °C, со специальной смазкой плотность прессовки превышает 7,3 г/см³, это примерно на 0,1-0,2 г/см³ больше обычного. При прессовании с горячей матрицей нагревают только матрицу (деталь при 95-115 °C), смазку снижают до 0,2%-0,3%, и возможны значения выше 7,4 г/см³.

Двойное прессование и спекание: сначала прессуют и спекают, затем допрессовывают для роста плотности и спекают второй раз. Метод подходит деталям с высокими требованиями к плотности и механике, но повышает стоимость процесса, поэтому обычно идет на шестерни и шатуны под высокой нагрузкой.

Частые дефекты прессования в порошковой металлургии

Дефекты прессования чаще связаны с настройками параметров и состоянием матрицы.

Скорость выталкивания и время выдержки относятся к двум параметрам, которые часто пропускают. Выдержка 2-10 с снимает упругую деформацию, а скорость выталкивания 0,1-1 мм/с снижает расслоение и трещины.

Контроль прессовки при прессовании в порошковой металлургии

Приемочный этап закрывает прессование в порошковой металлургии и включает четыре проверки.

Плотность прессовки измеряют методом Архимеда или геометрически, цель 6,4-7,0 г/см³. Прочность прессовки проверяют трехточечным изгибом, обычно не ниже 5 МПа. Критичные размеры снимают на КИМ, внешний вид осматривают визуально или под лупой на расслоение, трещины и сколы.

На странице усилие пресса и размеры деталей Yujiaxin указаны диапазоны. Перед подбором рассчитайте нужное усилие по площади проекции своей детали.

Заключение

Весь смысл сводится к одной строке: прессование в порошковой металлургии задает плотность через давление, плотность задает свойства. Удержатся ли оба, решает равномерность плотности.

При следующей оценке поставщика спросите прямо:

1. Какой стандартный диапазон давления прессования в МПа?
2. Какая плотность прессовки целевая и как ее измеряют?
3. Для деталей с отношением высоты к диаметру выше 2:1 применяют двустороннее прессование или плавающую матрицу?
4. Есть ли теплое прессование или двойное прессование и спекание?
5. Как задают скорость выталкивания и время выдержки?
6. Какой приемочный уровень прочности прессовки в МПа?
7. Как обнаруживают расслоение и трещины в потоке?
8. Покрывает ли диапазон усилия пресса площадь проекции нашей детали?

Для оценки схемы прессования конкретной детали обратитесь к команде инженеров: запросить схему прессования.