Порошковая металлургия на ВМЗ
Общие сведения.
Порошковая металлургия, сравнительно новый для отечественной промышленности метод получения конструкционных материалов и заготовок, нашла достаточное распространение в машиностроении в 70-е годы XX века.
Порошковая металлургия как область техники, сочетает в себе две особенности. Это изготовление металлургических порошков и получение готовых изделий из этих порошков. На специальном оборудовании порошок спрессовывают под большим давлением в детали нужной формы, и затем спекают при высокой температуре.
В порошковой металлургии процессы металлургические непрерывно связаны с процессами формирования, и эта связь на стыке металлургического и металлообрабатывающего переделов определяет высокую эффективность метода, в то же время, обладая, как и любой метод, определенными достоинствами и недостатками.
Порошковая металлургия позволяет осуществлять почти безотходную технологию изготовления деталей, т.е. с высоким коэффициентом использования материала.
При изготовлении деталей широкой номенклатуры этот метод эффективнее механической обработки отливок, проката, поковок. Изготовленные детали не требуют механической обработки, имеют достаточно точные размеры, и при этом возрастает производительность труда. Этот высокоэффективный, высокорентабельный метод гарантирует большую экономию металла, трудовых ресурсов, позволяет механизировать производство, способствует снижению загрязнения окружающей среды. Так, например, по опыту внедрения спеченных деталей массового производства на заводах Урала достигалась экономия 1,5-3 тонны металлопроката и 1,3-1,5 тыс. рублей (в ценах 1991 г.) при переводе изготовленных 4 тонн деталей с компактного материала (прокат, литьё) на порошковый вариант. А коэффициент использования материала спеченных заготовок, внедренных на предприятиях специального машиностроения (ряд заводов Урала), составил 0,8-0,95, что предполагает минимум механической доработки (операции нарезания резьбы, прорезки шлицев и т.п.).
Однако, если компактному материалу (например: сталь 40х, 38хс и другие) характерны определенные стабильные условия по ГОСТ 4543-85, то спеченный порошковый материал такой стабильностью не обладает. Его прочностные, физические и антикоррозионные свойства легко варьируются от технологии получения железного порошка, температуры спекания, защитной среды, операций прессования и т.п., а от этого комплекса операций зависит форма частиц порошка, уплотняемость, формуемость, пористость, текучесть, спекаемость. При переходе на порошковый вариант необходимо учитывать конструкцию детали, характер её работы и целесообразность изготовления.
Железные порошки получают гидрометаллургическими методами из железных руд или путем распыления расплава стали, чугуна сжатым воздухом, газом, водой высокого давления, или восстановлением железа из окалины проката низкоуглеродистых сталей. Известны и другие способы, менее эффективные. Все порошки подвергают отжигу для снятия внутренних напряжений и улучшения прессуемости.
Металлические порошки изготавливаются отечественными заводами порошковой металлургии. Самыми лучшими, имеющими мировую известность, считаются порошки Броварского завода и Сулимского завода.
В обозначение порошков входят буквы и цифры, характеризующие химический и гранулометрический состав, технологические параметры, например: ПЖ1КЗ - порошок железный, где ПЖ1 - марка порошка, К - класс крупный, подгруппа 3 по насыпной плотности.
Химический состав марки ПЖ1 согласно ГОСТу 16412-80; Fe - не более 98,8 %, С - не более 0,03 %, Mn - не более 0,1%, S - не более 0,02%, Р - не более 0,02 %, О - не более 0,02, Остаток не растворим в HCl - не более 0,35%.
Формование изделий из порошков - это процесс изготовления деталей определенной формы и размеров.
Методы формования предопределяют комплекс свойств порошковых изделий.
При холодных методах формования деталь имеет некоторую пористость, но достаточную прочность для извлечения её из полости пресс-формы и дальнейшей транспортировки по технологическому потоку.
Процесс горячего прессования состоит в том, что предварительно спеченную заготовку нагревают в защитной среде и затем допрессовывают; Этот метод трудоемок и мало применяется. Наиболее распространен метод холодного прессования и спекания.
К методам холодного формования порошковых материалов относятся прерывистый и непрерывный.
В отечественной практике порошковой металлургии для холодного прессования порошков используются механические прессы серий КА и К6 производства Сарацинского и Чимкентского заводов кузнечно-прессового оборудования и гидравлические - серии ДА, выпускаемые Оренбургским ПО "Гидропресс". Прессы должны обеспечить достаточное движение инструмента в требуемом направлении, возможность регулирования хода и скорости прессования и выталкивания, возможность регулирования наполнения пресс-формы порошком, возможность регулирования рабочих ходов, удобное расположение механизмов управления и т.п.
Выбор типа пресса определяется количеством, качеством, формой и размером прессуемого изделия. Отформованная заготовка - это изделие, которое проходит в дальнейшем технологическую операцию спекания. Под спеканием порошковых заготовок понимают термическую обработку, обеспечивающую необходимые свойства и уменьшение пористости. Для однокомпонентного тела технологическая температура спекания составляет 2/3 - 4/5 его температуры плавления. Многокомпонентные системы спекают при температуре, равной температуре плавления наиболее легкоплавкого компонента или несколько выше. Для предотвращения окислительных или других реакций при промышленном спекании применяют восстановительные или защитные газы, или создают вакуум.
Печи спекания классифицируются по следующим признакам:
- по типу обогрева муфельной или керамической трубы (газовые, электрические);
- по принципу работы - периодического или непрерывного действия;
- по характеру рабочей атмосферы - с защитной средой, вакуумные, с нейтральным или восстановительным газом;
-по рабочей температуре - низкотемпературные - до 1250°С, высокотемпературные
- свыше 1250°С;
- по степени механизации - автоматические, полуавтоматические. Полученные методом порошковой металлургии детали проходят обязательный
контроль, согласно техническим условиям по соответствующим стандартам. Для получения высококачественной продукции большое значение имеет внедрение в производство кондиционных материалов, в частности, металлических порошков.
К диагностическим методам определения свойств железных порошков относится, прежде всего, определение химического состава. Содержание компонентов определяют путем химического и спектрального анализов по ГОСТ 16412-80 на содержание в процентах железа, фосфора, кремния, марганца, серы, кислорода, углерода.
Гранулометрический состав порошков определяют по ГОСТ 18318-73. Насыпную плотность и текучесть определяют по ГОСТ 20899-75. Прессуемость порошка определяется уплотняемостью и формуемостью по ГОСТ 25280-82.
Прессуемость - это способность порошка образовывать брикет заданной формы и минимально допустимой плотности под воздействием данного давления.
Внедрение порошковой металлургии на Высокогорском механическом заводе.
В 1975 г. вышло постановление ЦК КПСС по дальнейшему внедрению новой техники на заводах оборонной промышленности и, в частности, по развитию порошковой металлургии. До этого на заводах военной промышленности порошковая металлургия применялась. В этом плане, увлёкшись идеей разработки и производства деталей, главный металлург ВМЗ Горелик Соломон Ильич оформил командировку в Москву в НЦИ-24, где был экспериментальный участок порошковой металлургии, а также на МЗПМ (Московский завод порошковой металлургии), где изготовлялись детали машин для сельского хозяйства способом порошковой металлургии. Он внимательно ознакомился с технологическим процессом, применяемыми материалами и производственным оборудованием. Затем последовали командировки в Киев на международную конференцию по порошковой металлургии, в Минск на международный симпозиум, где были заслушаны доклады по теме. Изучив полученные сведения и возможности ВМЗ, Горелик С.И. сделал в Москве, в министерстве, заявку на включение работ по ВМЗ в план новой техники. Электронная версия historyntagil.ru. Заводу были выделены необходимые средства. Гореликом начались работы по организации участка порошковой металлургии в кузнечно-прессовом цехе №1. К организационным работам, позднее и к технологическим, были подключены и занимались инженеры Максимов Анатолий Гаврилович, позднее Шаламов А. А. и Севастьянов Вадим Валентинович, а также начальник цеха № 1 Бутыльский Александр Владимирович, зам. нач. цеха № 1 Бугров Юрий Анатольевич и другие. Максимов А. ездил в Бровары за порошком, в Минск - в институт, в Москву - за примерной технологией и оборудованием. Организация производственного участка порошковой металлургии была поставлена на научной основе. В качестве директивного был принят технологический процесс МЗПМ; нестандартное оборудование изготавливалось также по чертежам этого завода, прессовое оборудование мод. Д2430Б и ПД-475 поставлялось централизованно. Печи спекания были изготовлены электрические, муфельные, толкательные с защитной атмосферой - эндогаз. Началась разработка технологии непосредственно для деталей нашего производства. Этим вопросом занимался заместитель главного металлурга Файншмидт Евгений Михайлович, ныне доктор технических наук, профессор НижнеТагильского филиала Ур ГТУ-УПИ, академик трёх академий.
После экспериментальных деталей и соответствующих положительных результатов испытаний в 1987 г. начался выпуск вкладыша, гайки и втулки для стиральной машины и запуск их в серийное производство.
Параллельно Е.М. Файншмидтом велась технологическая часть работ по деталям военной техники. Была разработана простая, экономичная схема изготовления:
- шихтоприготовление. Исходным материалом служили порошки железа ПЖ Сулимского завода, к которым примешивали порошок карандашного графита и порошок меди, пластификатор - стеарат цинка. Смесь порошков подавалась в конусные смесители, где происходило тщательное перемешивание;
- шихты производили на механических прессах типа КА8130 Саранского завода. Усилие пресса выбиралось в зависимости от площади прессуемой детали (5-7 тонн на 1см). Плотность прессованной заготовки должна быть 6,85-6,5 г/см3, что соответствует пористости 12-17%.
Спекание является наиболее ответственной операцией. Спечённая деталь должна обладать заданным уровнем механических свойств и светлой, не окисленной поверхностью. Отформованная деталь из пресса переносилась рабочим на поддон в печь спекания. Нагревательные электрические печи для спекания были изготовлены ВМЗ (Высокогорским механическим заводом) по конструкции Московского завода порошковой металлургии. Печь проходная, толкательная муфельного типа (муфель поставки Златоустовского завода) с нагревом от карборундовых нагревателей типа КЭН-А25/400/400, которые запитывались от автотрансформаторов ТПТ-100/150. Производительность одной печи 20 кг спечённых деталей в час. Защитная атмосфера печи - эндогаз, создавалась генераторами эндогаза ЭН-30. Питание генераторов осуществлялось от заводской сети природным газом Бухарского месторождения. Режим работы печи - низкотемпературный, рабочая температура 1140 - 1170°С.
Парооксидирование. Конструкционные изделия, получаемые методом порошковой металлургии, обладают определённым уровнем пористости от 10 до 17%. Поры впитывают в себя атмосферные пары, газы из воздуха СО2 - SO2 - SO3 - NO2 - NO3 и т.п., которые в соединении с влагой дают химические реакции (H2SO4, Na2SO4 и др.), ведущие к внутренней и наружной коррозии. Чтобы предотвратить это явление, деталь целесообразно покрывать тонкой защитной плёнкой окислов. Для защиты спеченных деталей от коррозии в технологии был предусмотрен процесс парооксидирования, заключающийся в обработке изделий водяным паром при температурах 500-600° с выдержкой 4-6 часов, по патенту венгерского химика П. Жеки. Однако, его технология не обеспечивала высоких показателей антикоррозийной стойкости применительно к изделиям спецтехники, выпущенным цехом в 1979 г. Электронная версия historyntagil.ru. Детали спецзаказов; заглушка и диафрагма военной приёмкой были отвергнуты, поэтому встала задача изменения техпроцесса. Кроме того, следовало учесть, что расширение масштаба производства потребовало интенсификации технологического процесса парооксидирования. Е.М. Файншмидтом разработана новая технология скоростного паротермического оксидирования, являющаяся оптимальным, экологически чистым процессом защиты от коррозии пористых спечённых деталей. Предложенный способ обеспечивал перекрытие пор по сечению детали и создание защитной плёнки на поверхности.
Процесс осуществлялся в специальных печах - ваннах с кипящим слоем (псевдоожиженный слой мелкозернистого материала электрокорунда), сжижаемым водяным паром при температуре 500-600°С в течение 0,5 часа.
Метод обеспечивал высокую коррозионную стойкость деталей в 8 и более раз по сравнению с методом П. Жеки. При этом экономилась энергия и повышалась производительность труда, детали могли подвергаться защитно-декоративным покрытиям, фосфатированию с пропиткой лаком МА-592 (ТУ 6-10-846-75). Детали гарантированно выдерживали требуемый срок хранения.
Печь-ванна конструкции Е.М. Файншмидта проста в исполнении, надёжна в эксплуатации, изготовлялась в цехе нестандартного оборудования.
Значимость метода была неоспорима и положительно оценена военным заказчиком. Новая технология была внедрена в производство и признана научным открытием.
Контроль. С целью определения основных свойств материала и выявления брака контролировалось качество изготовляемых деталей. Для этого определялись механические свойства (прочность при сжатии, растяжении, изгибе, твёрдость, ударная вязкость). Исследовались макро- и микроструктура, пористость, плотность. Такие виды брака, как окисление, недопекание, коробление, пережог, расслоение, корочка -выявлялись визуально. Применялся также контроль специальных свойств изделий в зависимости от их назначения, например, контроль статическим нагружением.
Контроль качества осуществлялся как в цеховых условиях, так и в центральной заводской лаборатории. В период экспериментальных работ и запуска первых партий изделиий разработкой методов контроля и освоением методик занимались: начальник ЦЗЛ Хлопотова Н.И., начальники лабораторий - Клушина О.Н., Зайцева З.К., Реутова Л.В., Новожилова А.А.
С 1980 г. начался массовый выпуск деталей для изделий военной техники методом порошковой металлургии. На участке изготовлялось до 15 наименований деталей. Масса деталей составляла от 20 до 100 грамм, площадь - до 15 см2.
Если в 1978 г. завод выпустил 1000 тонн порошковых деталей, то к 1985г. объём производства порошковых деталей составлял до 250 тонн в год. Заглушки и диафрагмы стали поставлять на смежные заводы в Реж, Касли, Нововятск.
В результате внедрения новых технологий участок превратился в крупнейшее на Урале и в Свердловской области производство деталей порошковой металлургии. Удалось спроектировать и построить новый цех производительностью 1000 тонн порошковых изделий в год для снабжения всех боеприпасных заводов СССР.
По проекту ВМЗ был построен такой же участок на Уральском Вагоностроительном заводе в 1985-87 гг. с передачей документации на детали спецтехники.
ВМЗ явился пионером в разработке и внедрении новых технологий порошковой металлургии, в том числе, впервые удалось получить высококачественные детали боеприпасов, обеспечивающие все требования к длительному хранению продукции в мирное время.
По ходу разработки, внедрения и производства деталей порошковым методом повсеместно возникали технические вопросы, в связи с чем пришлось опубликовать ряд статей и трудов. На обобщённом материале Е.М. Файншмидт в 1991г. защитил докторскую диссертацию, им было получено 5 авторских свидетельств на изобретения, опубликовано более 30 печатных трудов в технических журналах.
31 марта 1997 г., в соответствии с Уставом, Международная ассоциация авторов научных открытий выдала диплом № 46 Файншмидту Евгению Михайловичу на открытие - "Явление образования смежных оксидных фаз переменного состава в порах спечённых сталей" за подписями Президента Российской академии естественных наук О. Л. Кузнецова, президента Международной ассоциации авторов научных открытий В.Г.Тымнского, исполнительного директора Международной ассоциации авторов научных открытий В.В.Потоцкого.
Е. М. Файншмидт был избран действительным членом трёх технических академий, а именно, Академии инженерных наук, Академии естественных наук и экологии.
В связи с распадом СССР, переходом на рыночные отношения, изменением производства с 1992 года на ВМЗ прекратили выпуск спечённых изделий, и цех порошковой металлургии перестал существовать.
Использованная литература:
Т.А. Пумпянская, Е.М. Файншмидт, В.Ф. Печишкин, труды УГТУ-УПИ. Порошковые стали и безотходные технологии в машиностроении.
Файншмидт Е.М. Диплом № 46 на открытие "Явление образования смежных оксидных фаз переменного состава в порах спечённых сталей".
Файншмидт Е.М., Пумпянская Т.А., Шаламов А.А. "Автоматизация контроля прочности спечённых изделий".
Волкогон Г.М., Волков В.П. и др. Технология порошковой металлургии. Справочник. Труды ЦНИИНТИ.
Чапоров И.Н., Чернявский К.С. Структура спечённых твердых сплавов.
ГОСТ 18898-89. Изделия порошковые. Методы определения плотности содержания масла и пористости.
ГОСТ 16412.0-16.412.9-80 Методы испытания железного порошка.
Н.И. Хлопотова