Перед прессованием всегда необходимо проверить технологические свойства, поскольку они изменяются со временем и могут выйти за допустимые пределы. Технологическими называют свойства шихты, определяющие выбор способов и режимы транспортировки, дозирования, прессования, спекания и других переделов или операций технологического процесса. Как правило, технологические свойства шихты одного и того же материала, но разных партий отличаются друг от друга. Всё это требует постоянного контроля за технологическими свойствами и обычно в цехах порошковой металлургии имеется специальная лаборатория постоянно наблюдающая за изменением свойств порошков от партии к партии, а если партии большие и их переработка длится более одной смены – то и за изменением свойств шихты в течение смены или суток.
Шихта является сыпучим материалом. Частицы, образующие структуру сыпучего материала, имеют друг с другом различную связь, зависящую от формы частиц, их формы, влажности и других факторов, составляющих технологические свойства шихты. Знания размеров частиц, свойств материала частиц, их формы и состава смеси недостаточно для полного определения свойств порошковой массы и её возможного поведения при проведении технологических операций. Поэтому проводят различные испытания, имитирующие отдельные операции по переработке порошков. Такие испытания позволяют технологам судить о пригодности порошка для изготовления изделий.
Технологические свойства шихты – это:
- гранулометрический состав;
- насыпная плотность;
- текучесть;
- угол естественного откоса;
- связность и слёживаемость;
- сегрегация;
- зависание (сводообразование);
- прессуемость;
- влажность;
- спекаемость и усадка.
Текучесть определяет способность шихты к транспортировке по коммуникациям - трубопроводам и лоткам пресса и особенно важно знать её, если прессование производится на прессе-автомате. Кроме того, текучесть, в основном, определяет скорость и полноту заполнения прессформы, то есть производительность прессования. Плохая текучесть пресспорошка не только тормозит скорость заполнения полости прессформы, но и вызывает неравномерность заполнения. Средняя текучесть шихты должна быть такой, чтобы полость прессформы заполнялась за 1–2 сек.
Текучесть шихты зависит от множества факторов, из которых основными являются: форма частиц; размеры частиц; однородность шихты по размерам частиц; плотность материала частиц; свойства пластификатора (как клеящего вещества).
Текучесть зависит от множества факторов, учесть и повторить которые практически невозможно. Поэтому величина текучести не нормируется, но Государственный стандарт предусматривает единую методику определения текучести. Для различных групп материалов (стройматериалы, металлические порошки, мука и крупы и т.д.) приборы имеют различные размеры, но методика одинакова – измеряется время истечения определённой массы материала, через калиброванное отверстие. Для порошков твёрдых сплавов, их компонентов и гранулятов – это 50 г, диаметр калиброванного отверстия – 2,5 мм. Текучесть измеряют в секундах.
При большой удельной поверхности, как правило, при частицах менее 60 мкм, трение между частицами и частиц о стенки возрастает настолько, что течение порошка становится практически
невозможным. С увеличением размеров частиц соотношение между силами трения и массой частиц становится меньше и текучесть возрастает, но при дальнейшем увеличении размеров частиц начинают сказываться силы сцепления между частицами, обусловленные формой частиц, и текучесть вновь снижается. Наибольшей текучестью обладают частицы шарообразной, эллипсоидальной и других округлых форм, а наименьшей – дендритной, пластинчатой и игольчатой форм.
Именно поэтому пресспорошки гранулируют, придавая конгломератам шарообразную форму. Грануляция преследует и ещё одну важную цель – гранулы стараются делать одинаковыми и этим создаются условия равномерного и одинакового заполнения прессформы. Обычный размер гранул для прессования твёрдых сплавов лежит в пределах от 120 до 300 мкм – больше величины зазора между пуансоном и внутренней поверхностью матрицы – этим устраняется заклинивание пуансона в матрице, так как частицы порошка не попадают в этот зазор.
Текучесть зависит от способа получения частиц порошка: осаждением, распылением, восстановлением и т.д.
Зависит текучесть и от длительности хранения. Поэтому текучесть проверяют непосредственно перед прессованием.
Насыпная плотность – это отношение массы порошка при свободной насыпке к его объёму.
Величина ей обратная – это насыпной объём.
Насыпная плотность определяется действительной плотностью материала порошка, размером и формой частиц, гранулометрическим составом, свойствами поверхности частиц и ещё многими факторами. Как и текучесть, насыпную плотность невозможно нормировать, но ГОСТ определяет единую методику определения насыпной плотности.
Насыпная плотность, как технологический фактор, определяет объём прессформы, необходимый для заполнения её при свободной засыпке, высоту подъёма верхнего пуансона, размеры бункера пресса и ёмкостей для хранения заданного количества порошка. Усадка при спекании также находится в прямой связи с насыпной плотностью, поскольку она зависит от гранулометрического состава смеси. Чем меньше насыпная плотность, тем больше усадка и искажения формы спечённого изделия. Смешивая порошки различной насыпной плотности, можно получить безусадочную шихту, вернее – шихту с минимальной усадкой.
Применение порошка постоянной насыпной плотности обеспечивает постоянство усадки и, как следствие этого – постоянство размеров спечённых изделий. Это особенно важно при объёмном дозировании во время прессования.
Одновременно следует отметить, что при одинаковой насыпной плотности порошки могут иметь различный ситовый состав, форму частиц, прессуемость, текучесть и т.д.
Для определения насыпной плотности мерный сосуд емкостью 25 см3 через воронку доверху заполняют порошком, масса которого, умноженная на 0,04, дает насыпную плотность в г/см3, т. е. массу единицы объема. Очень тонкие порошки при определении этой массы засыпают в мерный сосуд по специальным стеклянным пластинам (прибор называется волюмометр Скотта).
Степень укладки частиц порошка в засыпке определяется их формой, размерами и гранулометрическим составом. Насыпной объем зависит главным образом от взаимного расположения частиц порошка, контактов и сцепления между частицами, а также от междучастичных полостей (в эти полости могут попадать более тонкие частицы). Иногда возможно правильное расположение частиц. Насыпная плотность порошков со сферическими частицами (например, распыленных) больше, чем с угловатыми. Порошки со сферическими частицами менее склонны к образованию мостиков (связок) и вследствие относительно хорошей текучести сравнительно плотно располагаются в засыпке. Их насыпная плотность может составить до 50 % плотности соответствующего компактного вещества. Крайне низки насыпные плотности чешуйчатых порошков, составляющие иногда ~ 10 % плотности компактной массы. Меньшие частицы тех же материалов из-за их большей удельной поверхности (и более сильного трения) обладают меньшей насыпной массой, чем более крупные частицы.
| |
| |
Плотность укладки определяется всей совокупностью физических свойств порошка. Чем крупнее и чем более компактную и правильную форму имеют частицы порошка, тем больше будет насыпная плотность; однако большее значение имеет не абсолютный размер частиц, а соотношение частиц разных размеров (кривая распределения зернистости). Например, независимо от абсолютного размера, одинаковые шары имеют постоянный коэффициент заполнения объема; комбинируя же шары разной величины, можно добиться значительного увеличения плотности — в предельном случае — до 100%. Если для идеальных частиц правильной формы возможно путем математического расчёта определить оптимальные соотношения и абсолютные значения размеров частиц, обеспечивающих получение заданной пористости, то для практически применяющихся порошков это невозможно. Более того, как показывает практика, зная насыпные веса двух порошков, нельзя при значительном их различии заранее с достаточной точностью предугадать насыпной вес смеси. Например смесь 1 : 1 порошков одного и того же металла с насыпными весами 1,0 г/см3 и 2,0 г/см3 имеет насыпной вес не 1,5 г/см3, а 1,7—2,0 г/см3; при еще большем различии насыпной вес смеси может быть даже выше, чем у более тяжелого порошка. Состояние поверхности порошка также имеет значение: частицы с гладкой «скользкой» поверхностью, естественно, укладываются плотнее, чем шероховатые, покрытые окисными пленками.
Таким образом определение насыпной плотности позволяет косвенно учитывать такие факторы, которые не поддаются прямому количественному определению, но оказывают влияние на технологические свойства порошка.
