книги из ГПНТБ / Соломоник И.Ш. Производство керамических деталей радиоаппаратуры

Г л а в а 4

ПРОИЗВОДСТВО ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ КЕРАМИКИ

§ 1. Производство металлокерамических деталей

Впервые мысль об экономической целесообразности изго­ товления метал'лических изделий не плавкой, а путем спека­ ния спрессованных металлических порошков была высказана и практически доказана в 1826 г. проф. П. Г. Соболевским совместно с В. В. Любарским на примерах производства пла­ тиновых монет. В течение последующего столетия методы по­ рошковой технологии не нашли широкого признания из-за сложности процессов получения порошкового металла и впол­ не удовлетворительной работы деталей, получаемых из обыч­ ных металлургических материалов.

Положение изменилось во второй половине XX столетия. Необычно жесткие требования к стабильности электротехни­ ческих параметров металлических изделий в сложных усло­ виях эксплуатации, напряженные температурные режимы размерной обработки твердых материалов, высокие требова­ ния к точности формы и чистоте обработки деталей, выпол­ няемых из труднообрабатываемых материалов, и ряд других обстоятельств возобновили интерес ученых и работников про­ мышленности к металлокерамическим изделиям и, следова­ тельно, к п о р о ш к о в о й м е т а л л у р г и и , занимающейся производством изделий из металлических порошков разно­ образного состава.

а. О б л а с т и и с п о л ь з о в а н и я м е т а л л о к е р а м и ч е с к и х и з д е л и й

Порошковая металлургия Советского Союза имеет значи­ тельные успехи в разработке и внедрении теплостойких, из­ носостойких и особотвердых металлокерамических детален. В СССР, впервые в мировой практике, были созданы деше­ вые и очень стойкие металлокерамические коллекторные пластины для электродвигателей с высокими окружными ско­ ростями ротора (до 100 м/сек), с большой плотностью ком­ мутируемых токов и номинальным перегревом коллектора около 300° С. Такой режим работы двигателя приводит к

быстрому износу коллекторных пластин, выполненных из де­ фицитной и дорогой твердокатаной меди марки M l . Исполь­ зование металлокерамических коллекторных пластин, износ которых в 2-4-3 раза меньше износа пластин из цельной ме­ ди, дает годовую экономию меди около 5-4-7 тысяч тонн.

Низкая себестоимость металлокерамических изделий объ­ ясняется достоинствами технологических процессов порошко­ вой металлургии, при которой сокращаются многие производ­ ственные операции размерной обработки и уменьшаются от­ ходы материалов. В таблице 4-1 для иллюстрации этого по­ ложения приводятся сравнительные данные о себестоимости двух партий контактных колец преобразователя по 1000 штук в каждой. Одна партия деталей выполнена методами порош­

Снижение себестоимости металлокерамических контактов может быть достигнуто и путем формования биметалличес­ кой структуры контакта, когда рабочий слой создается из серебра или серебряных сплавов, а нерабочий — из неблаго­ родных, более дешевых металлов (никеля или меди). В двух­ слойных контактах соотношение между рабочим и нерабочим слоем по толщине колеблется от 10:1 до 1:4. Некоторые двухслойные контакты при небольшой стоимости способны выдерживать нагрев до 1000° С без оплавления и приварива­ ния. Контакты типа СОК15М (композиция из 85% серебра и 15% окиси кадмия) способны коммутировать токи до 600 а .

Методами порошковой металлургии могут производиться детали из металлов и сплавов несмешивающихся в расплав­ ленном виде или не образующих твердых растворов (желе­ зо — свинец, вольфрам — медь). Такие композиции могут об­ ладать ценными физико-механическими свойствами, напри­ мер, состав МВ70 (30% Си, 3% Ni, 67% W) обеспечивает устойчивую работу контактов мощных масляных и воздушных выключателей.

Применение износоустойчивых металлокерамических кон­ тактных колец не влечет за собой повышенного износа токосъемных электрощеток, так как металлокерамические изделия

имеют пористую структуру, что способствует улучшению прирабатываемости пары «щетка — кольцо». Прирабатываемость можно увеличить легированием металлокерамики небольшим количеством (1%) графита, что невыполнимо для обычных металлургических материалов.

Электрощетки рекомендуется выполнять также из металлокерамических материалов, устойчивых против вибраций и распыления. Чаще всего они формуются из смеси порошков меди и графита с присадками олова, свинца и др. веществ. Медь и графит определяют электропроводность и механиче­ скую жесткость токосъема, а присадки свинца и олова пре­ дохраняют щетки от хрупкости и распыления. Постоянные магниты, выполненные методами порошковой металлургии, отличаются точностью формы, однородностью структуры, оп­ ределенностью химического состава и малой трудоемкостью производства. Благодаря структурной однородности и ста­ бильности магнитных характеристик во времени, металлокерамические магниты могут с успехом применяться в фокуси­ рующих системах. Если по условиям работы магниты долж­ ны подвергаться большим механическим нагрузкам, то целе­ сообразно воспользоваться мелкозернистыми металлокерамнческими изделиями из сплавов системы Fe — N i — Al — Со типов Алии, Алнико, Магнико. Детали из металлокерамических железо-никель-алюминиевых и железо-никель-алюминий- кобальтовых систем обладают высокой прочностью и не раз­ рушаются при окружных скоростях до 125 м/сек. Оксидные магниты из окислов бария и железа устойчивы против раз­ магничивающего влияния нагрева, ударов и внешних маг­ нитных полей.

Магнитомягкие металлокерамические материалы имеют большую магнитную проницаемость. Но повышенные потери на гистерезис и вихревые токи сужают частотный диапазон применимости этих материалов. Их целесообразно применять в производстве малогабаритных скоростных электродвигате­ лей, в низкочастотной аппаратуре и в устройствах, потреб­ ляющих постоянный ток.

Методами порошковой металлургии можно получать изде­ лия с большой пористостью, достигающей в некоторых специ­ альных случаях 40%, например, при изготовлении металлокерамических фильтровальных дисков, пластинок, цилиндров или конусов. Такие фильтры имеют высокую механическую, термическую и химическую стойкость. С их помощью можно фильтровать жидкости и газы от загрязняющих частиц круп­ ностью 3^-5 мк.

Если металлические детали должны работать в условиях сильного трения, то большой интерес представляют биме­ таллические изделия, в которых на стальную или медную основу напекаются металлокерамические фрикционные слои,

состоящие из зерен сплавов железа, меди, свинца, хрома или никеля с неметаллическими добавками (асбестом, графитом, сульфидами) или некоторыми окислами металлов. О при­ мерном химическом составе фрикционных материалов, вы­ пускаемых в СССР, можно судить по данным таблицы 4-2.

ные диски и узлы гидромуфт, способные выдерживать удель­ ные давления торможения до 30 кг/см2. При этом скорость торможения достигает 25 м/сек. Меняя соотношение мате­ риала основы и присадок, можно получать изделия различ­ ным образом взаимодействующие с другими трущимися уз­ лами. При изготовлении фрикционных изделий добиваются больших значений коэффициента трения (0,5-^0,3). Чтобы уменьшить силы взаимодействия трущихся деталей узла, не­

ников с успехом заменяют дорогие цельно-металлические под­ шипники скольжения из цветных сплавов и сильно шумящие шариковые подшипники в звукозаписывающей радиоаппара­ туре.

Срок службы металлокерамических подшипников иногда в 10 -:-15 раз превосходит срок службы дорогих цельных брон­ зовых изделий, так как они могут длительное время работать без смазки. Сопряжение между валом и вкладышем осу­ ществляется по ходовой посадке или посадке движения 2 класса точности. При высоких требованиях к бесшумности величина зазора уменьшается до величин, соответствующих

то при этом заметно уменьшаются коэффициенты трения (до

подшипников. Стоимость узла трения при использовании ме­ таллокерамических вкладышей снижается в 2-*-3 раза по сравнению с конструкцией, где применяются шарикоподшип­ ники.

Скоростная размерная обработка заготовок деталей из очень твердых конструкционных материалов в ряде случаев может быть осуществлена только при наличии режущего ин­ струмента из еще более стойких составов. Такие изделия по­

или тантала, сцементированных кобальтом. Для изготовления режущего инструмента используются однокарбидные воль­ фрамовые твердые сплавы марок ВК, двухкарбидные титановольфрамовые твердые сплавы ТК и трехкарбидные титано- тантало-вольфрамовые сплавы ТТК. Каждый из трех типов твердых металлокерамических сплавов могут отличаться про­ центным содержанием зерен карбидов и кобальтовой связки. Это отражается в наименовании марок сплава. Так, напри­

что важно при изготовлении штампов. Сплавы с малым со­ держанием кобальта ВК-2, ВК-3 отличаются высокой твер­ достью и износостойкостью. Поэтому они рекомендуются для применения в производстве инструментария, используемого для чистового точения твердых заготовок. Присадка карбида тантала способствует образованию мелкозернистой структу­ ры материала, а карбид титана улучшает теплопроводность сплава, чем обеспечиваются хорошие эксплуатационные ха­ рактеристики металлокерамических композиций. Подбирая состав порошковых смесей, можно получить изделия с зара­ нее избранными свойствами.

Физико-механические свойства деталей из металлокера­ мики зависят не только от химических и гранулометрических

составов исходных порошковых смесей, но и от режимов ме­ ханического и термического формования заготовок деталей, от точности их соблюдения на всех этапах производства. Тех­ нологический процесс изготовления металлокерамических из­ делий во многом напоминает ранее рассмотренный способ из­ готовления изоляторной керамики из сухих порошков. Он так­ же состоит из операций подготовки исходных компонентов массы (шихты), их дозировки и перемешивания, сухого прес­ сования, термической обработки (спекания) и дополнительной механической обработки. Много общего и в технологическом оборудовании.

1)вихревого размола грубо измельченных отходов штам­ повочного производства, мелкой стружки и кусочков прово­ локи;

2)распыления жидкого металла в специальных аппаратах при помощи струи сжатого инертного газа или воды под дав­ лением 2ч-6 ат;

3)восстановлением окалины (окислов металла) и хло­ ристых солей в водороде или генераторном газе, иногда в присутствии измельченного графита и сажи;

4)электролизом водных растворов солей металла в сер­ нокислых или хлористых ваннах;

5)термическим разложением карбонилов металла при температуре 300^400° С.

Технологические параметры порошков и заготовок дета­ лей, а также технические характеристики готовых металлур­ гических изделий зависят от формы частиц порошка и их крупности, от наличия в порошке посторонних примесей — невосстановленной окалины, кремнезема, углерода и пыле­ вых включений. Поэтому порошки исходных компонентов очи­ щаются химическими, гидромеханическими, магнитными спо­ собами и просеиваются через сита определенных номеров. Общесоюзные ГОСТы и нормали предусматривают опреде­ ленную степень чистоты порошка и его гранулометрический состав.

Например, для порошков, используемых при изготовлении металлокерамических конструкционных деталей (кулачков, эксцентриков, зубчатых колес и др.), максимальное количест­ во примесей и основной размер частиц ограничены данными таблицы 4-3.

В целях получения однородной структуры заготовки ре­ комендуется выравнивать крупность зерен исходного порош­ ка. Для этого применяют дополнительный помол порошков в шаровых мельницах с последующим отжигом продуктов помола в защитной или восстановительной средах (снимается наклеп).

шок и уравнять подачу порошка в различные участки запол­ няемой полости, что, в свою очередь, содействует образова­ нию однородной структуры прессуемой заготовки. Этим со­ кращаются внутренние напряжения, возникающие во время спекания заготовок неравномерной плотности и, следователь­ но, коробление, а иногда и брак готовых изделий.

Шихту можно дозировать либо по весу, либо по объему. При автоматической загрузке пресс-формы удобнее применять объемное дозирование. На рис. 4-1 изображена одна из рас­

Если при объемной дозировке шихты до прессования произ­ водится предварительная утряска, то объем засыпаемой полос­ ти пресс-формы может быть уменьшен на 15-^20%.

При объемном дозировании шихты насыпной объем по­ рошка Va3C , необходимый для оформления детали объемом УдеТ , находится из выражения

ния требуются большие усилия. Порошки из электролитиче­ ских или восстановленных материалов состоят из более глад­

щим) плунжерами. Предпочтительнее пользоваться гидрав­ лическим оборудованием, так как оно обеспечивает плавность хода формующего инструмента и спокойное перемещение час­ тиц металлокерамики. Это способствует повышению долго­ вечности оснастки и однообразию результатов прессования из­ делий.

Удельное давление прессования зависит от твердости час­ тиц материала и требуемой плотности изделия и находится из формулы:

Зная удельное давление прессования q, максимальную пло­ щадь сечения детали F в направлении, перпендикулярном хо­ ду ползуна прессового оборудования, и количество одновре­ менно формуемых изделий п, находим усилие прессования по формуле

P = qFn.

Прессование может быть односторонним или двухсторон­ ним. Одностороннее прессование применяется для изготовле-