изготовление изделий из металлического порошка

Когда слышишь про изготовление изделий из металлического порошка, большинство сразу думает про аддитивные технологии, 3D-принтеры. Но в реальности, особенно в нашем сегменте — производстве оснастки и инструмента — это часто совсем другие процессы. Прессование, спекание, инфильтрация. И здесь кроется первый подводный камень: многие заказчики приходят с запросом на ?печать? детали, а по факту оказывается, что классическое порошковое формование даст и прочнее, и дешевле, особенно для серии. Сам через это проходил не раз.

Где порошковая металлургия пересекается с алмазным инструментом

Наша компания, ООО Чэнду Хуэйфэн Интеллектуальные Технологии, в основном делает алмазный инструмент — диски, фрезы, коронки. И здесь изделия из металлического порошка — это часто основа, матрица, в которую внедряются алмазные зерна. Несущая часть сегмента пильного диска, например. Раньше часто лили, но для сложных профилей и требований к пористости перешли на пресс-порошки. Важно не просто спрессовать, а добиться определенной остаточной пористости после спекания — чтобы алмаз лучше держался, была адгезия с наполнителем.

Был случай с заказом на коронки для керамогранита. Клиент жаловался на выкрашивание сегментов. Стали разбираться — оказалось, матрица из порошкового сплава была слишком плотной, почти беспористой, связка не ?врастала? как надо. Пересчитали состав шихты, изменили режим спекания — не до полного уплотнения. Проблема ушла. Это тот самый момент, когда теория о ?чем плотнее, тем лучше? в порошковой металлургии для нашего применения не работает.

Еще один нюанс — усадка и геометрия. После спекания деталь ?садится?, и это нужно точно предсказать. Для прецизионных алмазных инструментов, где важны балансировка и форма, отклонение даже на полпроцента может быть критично. Приходится делать поправки в пресс-формах, и это знание чисто эмпирическое, по накопленным данным, для каждого сплава — свое.

Выбор порошка: не всякая ?сталь? одинакова

Работаем в основном с железо-медными и железо-никелевыми композициями. Иногда добавляют олово или фосфор для улучшения жидкофазного спекания. Здесь важно понимать, что порошок для изготовления изделий методом прессования — это не просто пудра. Это гранулы определенного размера и формы, с добавкой смазки. Один раз закупили, на первый взгляд, подходящий по химсоставу порошок, но прессовался он ужасно — расслаивался, плотность в заготовке была неравномерной. Вскрыли — оказалось, фракционный состав неоднородный, много слишком мелкой фракции, которая ?забивала? межгранулярное пространство. Пришлось его просеивать, что удорожило процесс. Теперь на это смотрим в первую очередь.

Еще история про экономику. Для неответственных деталей иногда используют порошки из вторичного сырья — переработанные обрезки, стружку. Но для инструмента, который работает на удар и нагрев, как наши коронки, это рискованно. Примеси, неконтролируемый кислород в порошке — и после спекания могут пойти микротрещины. Поэтому здесь строго первичные материалы, даже если дороже. Надежность инструмента в поле важнее.

Процесс: от пресса до печи

Прессование — кажется, просто: засыпал порошок в форму, приложил давление. Но давление нужно рассчитать так, чтобы получить ?зеленую? (неспеченую) заготовку достаточной прочности для транспортировки до печи, но без внутренних напряжений, которые приведут к короблению при спекании. Особенно для длинных тонких изделий, типа хвостовиков бур. Давишь слишком сильно — ?зеленка? прочная, но при нагреве может потрескаться из-за того, что смазке некуда выгорать. Слабо — развалится по дороге. Идеал находится экспериментально.

Спекание — это вообще отдельная наука. Атмосфера в печи (чаще эндотермическая, азот-водородная), температурный профиль, время выдержки. Малейшее отклонение — и вместо прочной детали получается ?пирог? с окалиной или, наоборот, недоспеченный, хрупкий. Контролируем по микроструктуре. Помню, как одна партия сегментов для шлифовальных кругов пошла в брак — при микроскопии увидели, что поры не округлились, а остались острыми, это очаги будущего разрушения. Причина — слишком быстрый нагрев на определенном участке цикла. Печь проверили — оказалось, сбой в одном из нагревателей.

Послепечная обработка. Часто после спекания нужна калибровка или незначительная механическая доработка. Иногда — термообработка для повышения твердости. Но с порошковыми деталями нужно осторожно — из-за пористости могут быть неожиданные деформации при закалке. Для ответственных деталей иногда применяем пропитку (инфильтрацию) медью или полимером — это упрочняет и иногда герметизирует.

Практические ловушки и ограничения

Главное ограничение изготовления из металлического порошка классическими методами — геометрия. Сильно поднутрения, обратные углы, закрытые полости — не для прессования. Форма должна позволять выпрессовку пуансоном. Поэтому, когда к нам приходят с чертежом сложной фасонной детали для инструмента, сначала смотрим, можно ли ее разбить на несколько прессуемых элементов, которые потом соединить пайкой или сваркой. Бывает, что проще и надежнее сделать литьем.

Еще одна проблема — размер. Очень крупные изделия (тяжелее нескольких килограмм) прессовать сложно — нужны огромные прессы, неравномерность уплотнения возрастает. Для больших алмазных дисков, например, мы часто используем комбинированную технологию: центральную часть (ступицу) — из порошка, а внешний обод — другой метод изготовления.

Себестоимость. Оснастка (пресс-формы) — дорогая. Поэтому мелкосерийное производство часто нерентабельно. Экономика начинает работать от партий в несколько тысяч штук. Это нужно четко доносить до заказчиков, которые хотят ?попробовать? сделать 50 штук. Иногда удается использовать универсальные или доработанные формы.

Взгляд вперед и место в нашем производстве

Аддитивные технологии, конечно, развиваются, и для прототипирования сложных деталей они уже интересны. Но в массовом изготовлении изделий для силового инструмента, где важны воспроизводимость, предсказуемые механические свойства и цена, классическая порошковая металлургия еще долго будет основой. Особенно в таких нишах, как производство алмазного инструмента, где мы, ООО Чэнду Хуэйфэн Интеллектуальные Технологии, работаем.

Сейчас экспериментируем с новыми составами связок для матрицы, куда внедряются алмазы. Пробуем добавлять в порошковую смесь специальные элементы, которые при спекании дают более активную поверхность для сцепления с алмазным зерном. Первые результаты обнадеживают — стойкость инструмента в некоторых материалах выросла на 15-20%. Но это еще в стадии тестов, рано говорить о внедрении.

В итоге, возвращаясь к началу: изготовление изделий из металлического порошка — это огромный пласт технологий, далекий от хайпа вокруг 3D-печати. Это ежедневная, часто консервативная, но требующая глубокого понимания материаловедения и процессов работа. Работа, без которой не было бы надежного и доступного инструмента в руках у строителей и отделочников. И в этом ее главная ценность.