Изделия порошковой металлургии. Основы порошковой металлургии Порошковая металлургия как работает литье

Порошковая металлургия - метод производства металлических изделий, заключающийся в прессовании гранул порошков металлов, и последующим их спекании. Данное производство позволяет получать изделия с высокой точностью геометрических размеров, поэтому она является альтернативой другим технологиям формообразования изделий, например литью или штамповке. Также, при помощи порошковой металлургии возможно изготовление сплавов или готовых изделий со свойствами, которые невозможно достичь другими процессами производства. Так, например, при помощи порошковой металлургии можно получить сплавы компонентов, которые не растворяются друг в друге в расплавленном состоянии. При помощи данной технологии можно изготавливать твердые сплавы вольфрама, тантала, кобальта, которые другими способами получить достаточно сложно. Порошковая металлургия позволяет получать изделия сложной конфигурации или изделия с высокими или заданными свойствами тепло- и электропроводности.

Основные преимущества порошковой металлургии:

1. Возможность создания сплавов трудносплавляемых материалов или сплавов, которых другими способами создать трудно
2. Экономическая целесообразность применения порошковой металлургии. При данном способе производства, по сравнению с литьем и токарной обработкой, образуется гораздо меньше отходов.
3. Высокая точность геометрических размеров за счет применения высокоточной оснастки при прессовании
4. При помощи порошковой металлургии возможно получение сплавов с более высоким комплексом механических свойств по сравнению с литьём
5. Высокая производительность процесса
6. Широкий, а главное регулируемый диапазон получаемых свойств

Продукция порошковой металлургии применяется во всех областях техники: в машиностроении, приборостроении, горнодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

Технология порошковой металлургии

Технологический процесс изготовления изделий при помощи порошковой металлургии сводится к следующим этапам:

1. Получение исходного сырья - порошков определенной степени дисперсности гранул
2. Формовка порошков в пресс-формах под давлением. При формовке могут использоваться горячие и холодные способы
3. Спекание порошковых материалов в термических печах. При проведении процесса обычно используются защитные и вакуумные среды различного давления

Недостатки порошковой металлургии

На сегодняшний день, уровень развития технологического оборудования достиг огромных высот, что устранило практически все препятствия на пути изготовления деталей методом порошковой металлургии. Несколько лет назад возникали проблемы при изготовлении крупногабаритных изделий и заготовок из порошков. Но эта проблема была решена с помощью применения современных изостатов. И на сегодняшний день, кроме высокой стоимости исходного сырья, недостатков порошковая металлургия не имеет.

Порошковая металлургия как метод получения и обработки материалов отличается разнообразием технологических приемов и способов производства, что позволяет получать спеченные материалы и изделия различных составов, свойств и назначений. Выделяются две особенности при применении методов порошковой металлургии.

1. Возможность получения принципиально новых материалов и изделий из них со специфическими свойствами, которые нельзя получить при использовании других технологических процессов (детали из фрикционных и антифрикционных, пористых материалов и материалов с особыми физическими свойствами). Эффективность изготовления таких деталей, прежде всего, определяется их назначением и эксплуатационными свойствами.

2. Изготовление деталей, не обладающих специфическими свойствами, для которых метод порошковой металлургии не является монопольным. К ним относятся детали конструкционного назначения, получение которых методом порошковой металлургии оправдано лишь значительным эффектом за счет снижения расхода материала, трудоемкости, себестоимости и других технико-экономических показателей.

Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода заготовок является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуют или формуют в изделия заданных размеров и подвергают термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты.

Основные элементы технологии порошковой металлургии следующие :

Получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или их сплавы, металлоиды, соединения металлов с неметаллами и другие химические соединения;

Прессование из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах, т. е. формование будущего изделия;

Термическая обработка (или спекание) спрессованных изделий, обеспечивающая им окончательные физико-механические и другие свойства.

В производственной практике иногда встречаются отклонения от типового технологического процесса, например совмещение прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленным металлом, допрессовка или калибровка спеченного полуфабриката, дополнительная механическая обработка спеченных изделий и т. д.

Достоинства порошковой металлургии следующие:

Возможность изготовления деталей из тугоплавких материалов, псевдосплавов (например, медь - вольфрам, железо - графит), пористых материалов с заранее заданной пористостью (фильтры, самосмазывающиеся подшипники);

Значительная экономия материалов в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не нуждающихся (или почти не нуждающихся) в последующей механической обработке; отходы производства в этом случае не превышают 1-5 %;

Возможность получения изделий из материалов высокой чистоты, так как при изготовлении деталей методом порошковой металлургии (в отличие от литья) исключается внесение каких-либо загрязнений в перерабатываемый Материал;

Технология порошковой металлургии по своему характеру несложна и основные операции изготовления порошковых изделий не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

Возможность автоматизации технологических процессов, которые не связаны с разработкой сложных ориентирующих и транспортирующих устройств, бункеров и других механизмов, необходимых при изготовлении деталей из штучных заготовок.

Экономичность методов порошковой металлургии проявляется в полной мере только при больших масштабах производства. Сравнение затрат по изготовлению деталей из литых и спеченных из металлических порошков заготовок показывает, что у первых основной расход составляет заработная плата по изготовлению, у вторых - стоимость технологической оснастки и исходных материалов. В связи с этим замена стальных и чугунных деталей несложной конфигурации деталями из металлических порошков не всегда экономична.

Как показывает опыт, при числе деталей массой 30-50 г менее 10 тыс. шт. в большинстве случаев невыгодно изготовлять детали методом порошковой металлургии. Сравнительно высокая стоимость исходных порошков и пресс- форм делает порошковое производство выгодным лишь в случае, когда объем партий выпускаемых изделий определяется десятками тысяч (табл. 2.27). Однако уникальные свойства получаемых изделий часто делают целесообразным изготовление изделий из порошков и значительно меньшими партиями.

К недостаткам порошковой металлургии можно отнести ограниченность размеров и относительную простоту формы получаемых изделий, что обусловлено спецификой формования порошков. При изготовлении деталей машин методом порошковой металлургии наличие остаточной пористости в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как при изготовлении литьем или ковкой (рис. 2.44).

В табл. 2.28 представлено изменение прочностных характеристик порошковых и компактных материалов.

Экономически эффективные объемы производства деталей из материалов на основе железа методами порошковой металлургии

Сложность деталей

Производство деталей

Подгруппа

без калибровки

с калибровкой

без калибровки

Масса деталей, г

Базовый вариант

Обработка резанием

Точное литье

Весьма сложная

Подгруппа

Базовый вариант - штамповка

с калибровкой

без калибровки

с калибровкой

Весьма сложная

Несмотря на недостатки, метод порошковой металлургии в последние годы настолько широко и прочно вошел во все сферы науки и техники, что трудно перечислить все области его применения. Рассмотрим некоторые из них, охарактеризовав основные порошковые материалы и области их применения.

Типовыми деталями, изготавливаемыми из конструкционных порошковых материалов, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, храповики, гайки, фланцы, ограничители, детали мерительных инструментов и др.

Механические свойства конструкционных спеченных материалов характеризуются пределом прочности при изгибе, ударной вязкостью, относительным удлинением, твердостью. Другие физико-механические свойства этих материалов в настоящее время изучены на отдельных марках материалов и отдельных вариантах технологического процесса и являются факультативными. В табл. 2.29 приведены свойства некоторых конструкционных порошковых материалов и основные области их применения.

Коррозионная стойкость деталей, у которых пористость не превышает 6-7 %, такая же, как у компактных материалов того же химического состава. При увеличении пористости коррозионная стойкость ухудшается.

При решении вопроса о переводе деталей на изготовление методом порошковой металлургии необходимо учитывать следующие обстоятельства:

Возможные издержки при изготовлении деталей могут компенсироваться экономическим эффектом при эксплуатации за счет повышения эксплуатационных свойств изделия;

Общая характеристика и назначение конструкционных порошковых материалов

Заложенный запас прочности в деталях из литых и кованых заготовок при конструктивном выборе размеров во много раз превосходит необходимый, хотя это и не вызывается эксплуатационными требованиями; в связи с этим необходимо учитывать реальные условия работы деталей и требования, которые должны предъявляться к ним по механическим и физико-механическим свойствам;

Детали из порошковых материалов имеют в среднем на 5-15 % меньшую плотность, что снижает расход материала и уменьшает массу изделия.

Выбор деталей для перевода на изготовление из металлических порошков необходимо производить в два этапа. На первом этапе оценивают технологичность детали с точки зрения требований порошковой металлургии и определяют возможную схему технологического процесса. На этом этапе деталь анализируют по следующим признакам:

Форме и конфигурации детали (отбирают детали, для которых могут быть применены известные технологические схемы изготовления деталей из порошков, определяют группу сложности детали);

Геометрическим размерам (вычерчивают эскиз спеченной заготовки, анализируют необходимость и возможность изменения размеров и формы детали, необходимость операции калибровки, характер расположения детали в пресс- форме и т. п.;

По давлению прессования оценивают мощность прессового оборудования;

Определяют объем и необходимость последующей механической обработки;

Механическим и физико-механическим свойствам материала (выбирают марку порошкового материала, назначают окончательную схему технологического процесса).

На втором этапе анализируют технико-экономические показатели производства изделий и определяют экономическую целесообразность их перевода на изготовление из порошков.

Анализ осуществляется по показателям:

Годовой программе деталей (отбирают детали, количество которых не ниже критической серийности; при программе ниже критической производство спеченных деталей экономически нецелесообразно; для деталей с особыми свойствами не представляется возможным установить экономически целесообразный уровень серийности, поэтому вопрос о переводе их на изготовление методом порошковой металлургии должен решаться индивидуально);

Коэффициенту использования металла (проводят сравнительный анализ Ки м при производстве деталей по существующей технологии и методом порошковой металлургии (Ки м при изготовлении деталей из порошков составляет не менее 0,75 и зависит от технологической схемы производства);

Себестоимости (осуществляют сравнительный анализ себестоимости изготовления деталей по вариантам).

По завершении подбора номенклатуры деталей для перевода на изготовление их из порошковых материалов для каждой детали оформляют техническое заключение, где анализируемые детали подразделяются на три категории.

К первой относят детали, для которых имеется достаточный опыт по внедрению в промышленное производство деталей подобной сложности и из данного материала. Детали могут быть полностью изготовлены по отработанной технологии.

Ко второй категории относят детали, для которых нет достаточного опыта по внедрению в производство; необходимы проверка отдельных технологических решений по схеме производства и проведение натурных испытаний детали.

К третьей категории относят детали, для изготовления которых нет опыта по формообразованию и отсутствует технология производства; необходимы разработка технологии изготовления детали из данного материала и комплексное исследование материала детали.

Детали, получаемые из порошковых материалов, в соответствии с работой подразделяются на три группы: простую, сложную и весьма сложную. Каждая группа имеет подгруппы сложности. Эскизы деталей для соответствующих групп сложности представлены на рис. 2.45.

При конструировании деталей, предназначенных для изготовления методом порошковой металлургии , следует учитывать ряд ограничений, обусловленных технологией порошковой металлургии (рис. 2.46):

Максимально упрощать форму детали;

Не допускать боковых впадин, круговых канавок, обратной конусности и отверстий, непараллельных оси прессования;

Избегать тонких стенок, узких пазов, острых углов и т. п.;

Изменения размеров по толщине и диаметру должны быть минимальными;

Стремиться использовать круглые сечения взамен квадратных и прямоугольных;

Радиус закругления у наружных углов выбирать не менее 2,5 мм, а у внутренних - 0,25 мм;

При однократном холодном прессовании с последующим спеканием может быть достигнута следующая точность размеров: 0,03-0,05 мм (радиальные размеры); до 0,12 мм (размеры по высоте);

Шероховатость поверхности спеченных деталей определяется шероховатостью поверхности пресс-форм, однако наличие пористости в деталях не позволяет получать полированные поверхности;

Изделия высотой (длиной) более пяти диаметров могут обладать неоднородной плотностью; для получения высокой однородности металла отношение длины к максимальному размеру поперечного сечения детали не должно превышать трех;

для получения высоких прочностных характеристик обрабатываемых деталей необходимо использовать более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. (дальнейшее совершенствование этого метода - изостатическое прессование, реализуемое на специальных изостатических прессах).

Изостатическое прессование в отличие от обычных методов осуществляют с помощью газа (или жидкости), находящегося под высоким давлением и равномерно (изостатически) сжимающего заготовку вдоль всей ее поверхности. Изделия, полученные изостатическим прессованием, характеризуются высокой и равномерной плотностью. Исходным материалом чаще всего служит металлический или керамический порошок. Его заключают в плотную эластичную капсулу и прессуют в контейнере высокого давления. В изостатических прессах можно прессовать заготовки диаметром 1000 мм и высотой 2500 мм и более.

Порошковая металлургия включает следующие основные группы технологических операций: получение исходных металлических порошков и приготовление из них шихты (смеси); компактирование порошков (или их смесей) в заготовки; спекание.

Получение. Порошки, используемые в порошковой металлургии, состоят из частиц размером 0,01-500 мкм. Получают порошки металлов (или их соединений) механическими и физико-химическими методами. К механическим методам относят измельчение твердых металлов или их соед. идиспергирование жидких металлов или сплавов. Твердые тела измельчают в мельницах с мелющими телами (барабанные вращающиеся, вибрационные, планетарные мельницы), ударного действия (вихревые, струйные, центробежные) и с вращающимися частями (аттриторы, дисковые, кавитационные, молотковые, роторные). При измельчении в мельницах хрупких материалов частицы порошка имеют осколочную форму, при измельчении пластичных материалов-чешуйчатую. Измельченные порошки характеризуются наклепом (изменением структуры и свойств, вызванным пластической деформацией) и, как правило, подвергаются отжигу.

Диспергирование, или распыление, жидких металлов и сплавов осуществляют струей жидкости или газа. При распылении водой под высоким давлением используют форсунки разных форм. Свойства распыленных порошков зависят от поверхностного натяжения расплава, скорости распыления, геометрии форсунок и других факторов. Распыление водой часто проводят в среде азота или аргона . Распылением водой получают порошки железа, нержавеющих сталей, чугунов, никелевых и др. сплавов. При распылении струи расплава газом высокого давления на размер частиц влияют давление газа, диаметр струи металла, конструкция форсунки, природа сплава. В качестве распыляющего газа используют воздух . азот, аргон, водяной пар . Распыление металла осуществляют также плазменным методом или путем разбрызгивания струи металла в воду. Такими способами получают порошки бронз, латуней, олова, серебра, алюминия и др. металлов и сплавов.

Физико-химические методы получения металлических порошков включают: восстановление оксидов металлов углеродом . водородом или углеводородсодержащими газами; металло-термические способы - восстановление оксидов, галогенидов или других соединений металлов др. металлами; разложение карбонилов металлов, металлоорганических соединений; электролиз водных растворов и расплавов солей. Порошки металлоподобных соединений получают теми же методами и, кроме того, синтезом из простых веществ.

Путем восстановления оксидов металлов производят порошки Fe, Co, Ni, W, Mo, Cu, Nb и других металлов. Частицы порошков имеют развитую поверхность. Разложением карбонилов металлов получают порошки Ni, Fe, W, Mo со сферической формой частиц. Электролиз водных растворов солей металлов применяют для приготовления порошков Fe, Cu, Ni, а электролиз расплавов солей - для получения порошков Ti, Zr, Nb, Та, Fe, U. В обоих случаях частицыпорошков имеют дендритную форму.

Компактирование. Цель компактирования порошков - получение полуфабрикатов (прутки, трубы, ленты) либо отдельных заготовок, по форме приближающихся к конечным изделиям. Во всех случаях после компактирования порошок из сыпучего тела превращается в пористый компактный материал, обладающий достаточной прочностью для сохранения приданной ему формы при последующих операциях.

Основные виды компактирования - одно- и двустороннее прессование в жестких металлических матрицах, прокатка, изостатическое прессование жидкостью или газом, мундштучное прессование, шликерное литье, высокоскоростное прессование, в т. ч. взрывное, инжекционное формование. Компактирование может осуществляться при комнатной температуре (холодное прессование, прокатка) и при высоких температурах (горячее прессование, экструзия, прокатка).

Уплотнение порошка при прессовании происходит в результате движения частиц друг относительно друга, их послед. деформации или разрушения. При относительно больших давлениях порошки пластичных металлов уплотняются в основном благодаря пластической деформации, порошки хрупких металлов и их соединений - в результате разрушения и измельчения частиц. Спрессованные заготовки из порошков пластичных металлов гораздо более прочны, чем из хрупких. Для увеличения прочности последних в порошок перед прессованием вводят жидкое связующее.

Б. ч. порошков, особенно при производстве массовых изделий простой формы, прессуется в жестких металлических матрицах (прессформах) с использованием таблетировочных, ротационных и других механических и гидравлических прессов-автоматов. После заполнения матрицы порошок прессуется под давлением одного или нескольких пуансонов.

Прессование прокаткой - это непрерывное формование заготовок из порошков при помощи валков на прокатных станах. Подача порошка в валки может осуществляться под действием силы тяжести или принудительно. В результате прокатки получают пористые листы, ленты, профили.

При изостатическом прессовании порошок или пористые заготовки помещают в оболочку и подвергают всестороннему обжатию. Процесс включает заполнение оболочки, ее вакуумирование и заделку, собственно изостатическое прессование и декомпрессию оболочки. Разновидности изостатического прессования - гидро- и газостатическое прессование, рабочими средами (передающими давление) в которых служат соотв. жидкости или газы. Гидростатическое прессование производят, как правило, при комнатной температуре; газостатическое - при высоких температурах. С помощью изостатического прессования получают изделия сложной формы с максимально равномерной плотностью по всему объему.

Формование заготовок из смесей порошка с пластификатором путем продавливания их через отверстие в мундштуке или фильеру наз. мундштучным прессованием. Оно позволяет получать длинные заготовки с равномерной плотностью из труднопрессуемых порошков хрупких металлов и соединений. Пластификатор обеспечивает достаточную вязкость смеси и прочность заготовки.

Шликерное литье формование изделий из шликеров, представляющих собой однородные концентрир. суспензии порошков, обладающие высокими агрегативной и седиментационной устойчивостью, хорошей текучестью. Основные разновидности шликерного литья - литье в пористые формы, литье из термопластичных шликеров (горячее литье) и формование электрофоретическим методом. При литье в пористые формы поток всасывающейся в поры жидкости увлекает за собой частицы порошка, которые оседают на стенках пор формы. Термопластичный шликер при обычных условиях состоит из порошка и твердого термопластичного связующего. Смесь нагревают до температуры, при которой связующее становится вязким, заполняют форму вязким шликером и затем охлаждают до затвердевания массы. При электрофоретическом методе формование происходит путем постепенного наращивания слоя из частиц шликера, перемещающихся под воздействием электрического поля к электроду - форме и осаждающихся на ней.

Высокоскоростное (динамическое, импульсное, ударное) прессование осуществляют путем высокоскоростной деформации порошка. К нему относят взрывное, гидродинамическое, магнитно-импульсное прессование, некоторые виды ковки и штамповки, прессование на быстроходных прессах, копрах, молотах.

Спекание. Конечная операция порошковой металлургии -спекание - заключается в термообработке заготовок при температуре ниже температуры плавления хотя бы одного из компонентов. Его проводят с целью повышения плотности и обеспечения определенного комплекса механических и физико-химических свойств изделия. На начальной стадии спекания частицы проскальзывают друг относительно друга, между ними образуются контакты, происходит сближение центров частиц. На этой стадии скорость увеличения плотности (усадки) максимальна, но частицы еще сохраняют свою индивидуальность. На следующей стадии пористое тело м. б. представлено совокупностью двух взаимно проникающих фаз - фазы вещества и "фазы пустоты". На заключительной стадии пористое тело содержит изолированные поры и уплотнение происходит в результате уменьшения их числа и размеров. Спекание многокомпонентных систем осложняется взаимной диффузией. В этом случае спекание может происходить и с образованием жидкой фазы (жидкофазное спекание).

Спекание, как правило, проводят в защитной (чаще всего инертные газы) или восстановительной (водород, углеводородсодержащие газы) средах, а также в вакууме. Нагрев изделий осуществляют в электропечах (вакуумных, колпаковых, муфельных, толкательных, конвейерных, проходных, шахтных, с шагающим подом и др.), индукционных печах, прямым пропусканием тока. Спекание и прессование могут быть совмещены в одном процессе (спекание под давлением, горячее прессование).

Материалы и изделия. Получаемые методами порошковой металлургии материалы называют порошковыми. Эти материалы условно подразделяют на конструкционные, триботехнические, фильтрующие, твердые сплавы, высокотемпературные, электротехнические, с особыми ядерными свойствами и др.

Из конструкционных порошковых материалов изготовляют детали машин, механизмов и приборов, например шестерни, фланцы, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки, корпуса подшипников, детали насосов, различные диски, втулки и др. Основные требования к этим порошковым материалам - повышенные механические свойства и экономичность. Детали из конструкционных порошковых материалов подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные, а по типу материала - на основе железа или сплавов цветных металлов.

К триботехническим относятся антифрикционные материалы и фрикционные материалы. Оптимальные структуры анти-фрикционных материалов - тведрая матрица и мягкий наполнитель. Для создания такой структуры наиболее эффективен именно метод порошковой металлургии Получаемые этим методом антифрикционные изделия обладают низким и стабильным- коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, хорошей сопротивляемостью схватыванию. Изделия из порошковых антифрикционных материалов являются самосмазывающимися. Твердая смазка (напр., графит, селениды, сульфиды) заключена в порах самого изделия. Антифрикционные порошковые материалы могут использоваться как для изготовления объемных элементов, так и в качестве покрытий, нанесенных на подложки. Характерный пример изделий из порошковых антифрикционных материалов - подшипники скольжения.

Фрикционные порошковые материалы используют в узлах, передающих кинетическую энергию. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью, теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью. Порошковые фрикционные материалы чаще всего состоят из металлических и неметаллических компонентов. При этом металлические составляющие обеспечивают высокую теплопроводность и прирабатываемость, а неметаллические (SiO 2 , A1 2 O 3 , графит и др.) повышают коэффициент трения и уменьшают склонность к заеданию.

Фильтры из порошковых материалов по сравнению с др. пористыми изделиями обладают рядом преимуществ: высокой степенью очистки при удовлетворительной проницаемости, высокими жаростойкостью, прочностью, сопротивлением абразивному износу, теплопроводностью и др. Фильтры изготовляют спеканием свободно насыпанных или спрессованных порошков бронзы, нержавеющей стали, никеля, титана, железа. Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять фильтры с изменяемой и регулируемой пористостью, проницаемостью и степенью очистки. Фильтры, наряду с пористыми подшипниками, составляют главную часть пористых изделий из порошковых материалов. Методами порошковой металлургии изготовляют также пористые уплотнительные прокладки, антиобледенители, пламегасители, конденсаторы, пеноматериалы и «потеющие» материалы.

Изделия из порошковых твердых сплавов, состоящих из твердых тугоплавких карбидов и пластичного металлического связующего, получают путем прессования смесей порошков и жидкофазного спекания. Твердые сплавы подразделяются на содержащие WC (или его твердые растворы с др. карбидами) и безвольфрамовые (на основе TiC и др. тугоплавких соед.); они обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью. Из твердыхсплавов изготовляют инструменты для резания металлов и др. материалов, штамповки, обработки давлением, для бурения горных пород. Свойства многих инструментов из твердых сплавов существенно улучшаются при нанесении на поверхность изделий тонких (толщиной в несколько мкм) покрытий из тугоплавких соединений.

К высокотемпературным порошковым материалам относят сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Эти сплавы применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и др.

Электротехнические порошковые материалы включают следующие основные группы: контактные (для разрывных и скользящих контактов), магнитные, электропроводящие и др. Разрывные контакты предназначены для многократного (до нескольких млн.) замыкания и размыкания электрических цепей. Их изготовляют из порошковых сплавов на основе Ag, W, Mo, Cu, Ni с добавками графита, оксидов Cd, Cu, Zn и др. Скользящие контакты изготовляют из порошковых сплавов на основе Cu, Ag, Ni, Fe с добавками графита, нитрида В, а также сульфидов (для снижения коэффициента трения); их применяют в электродвигателях, генераторах электрического тока, потенциометрах, токосъемниках и др. устройствах. Металлические магнитотвердые и магнитомягкие материалы изготовляют из порошковыхсплавов на основе Fe, Co, Ni, Al, SmCo 5 , сплава Fe-Nd-B. Магнитодиэлектрики представляют собой многокомпонентные композиции на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами (жидкое стекло, бакелит, шеллак, полистирол, разные смолы). Диэлектрик образует на частицах ферромагнетика сплошную изолирующую пленку достаточной твердости, прочности и эластичности, одновременно обеспечивая их механическое связывание. Ферриты изготовляют только методами порошковой металлургии Порошковые электропроводящие материалы и изделия из них разного назначения изготовляют в основном из меди, алюминия и их сплавов.

В ядерной энергетике порошковые материалы (В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, РЗЭ и др. и их соединений) с особыми свойствами используют в качестве поглотителей, замедлителей, из них изготовляют регулирующие стержни, а также твэлы (с использованием порошков диоксида, карбида, нитрида U и порошков тугоплавких соединений других трансурановых элементов)

Лит. Шведков Е Л, Денисенко Э. Т., Ковенский И. И., Словарь-справочник по порошковой металлургии, К.. 1982; Кипарисов С. С., Либенсон ГА., Порошковая металлургия, 2 изд., М., 1980; Порошковая металлургия в СССР История. Современное состояние. Перспективы, под ред. И. Н Францевича и В. И. Трефилова, М., 1986; Порошковая металлургия и напыленные покрытия, под ред. Б. С. Митина, М., 1987 Ю В. Ленинский

Oпубликовано на сайте www.s-metall.com.ua

Порошковая металлургия

Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, а в ряде случаев существенно повысить экономические показатели производства. При этом способе в большинстве случаев коэффициент использования материала составляет около 100%.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготавливают изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин, конструкционные и фрикционные детали, инструментальные материалы, электротехнические детали для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Основные преимущества использования порошковой металлургии:

• – снижает затраты на дальнейшую механическую обработку, которая может быть исключена или существенно уменьшена, получает готовое изделие точное по форме и размерам, обеспечивает высокое качество поверхности изделия;
• – использует энерго- и ресурсосберегающие технологии, уменьшает количество операций в технологической цепи изготовления продукта, использует более чем 97% стартового сырья, реализует многие последующие сборочные этапы еще на стадии спекания;
• – позволяет получать изделия с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и не металлические компоненты: изделия различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью, подшипники скольжения с эффектом самосмазывания;
• – получает более высокие экономические, технические и эксплуатационные характеристики изделий по сравнению с традиционными технологиями;
• – упрощает зачастую изготовление изделий сложной формы;
• – обеспечивает прецизионное производство, соответствие размеров в серии изделий.

Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и золота применяли в красках для декоративных целей в керамике, живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за 3000 лет до нашей эры), знаменитый памятник из железа в Дели относится к 300 году нашей эры. До 19 века не было известно способов получения высоких температур (около 1600-1800°С). Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала в горнах при температуре 1000°С восстановлением железной руды углем получали крицу (губку), которую затем многократно проковывали в нагретом состоянии, а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости. С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения в особый технологический метод обработки принадлежит русским ученым П.Г.Соболевскому и В.В.Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали технологию прессования и спекания платинового порошка. металлургия порошковый изготовление

После первых работ П.Г.Соболевского по разработке процесса изготовления монет из порошка платины, выполненных в России в 1826 - 1827 гг. стало развиваться новое направление в науке - порошковая металлургия. В 1924 г. Т.М.Алексеенко-Сербиным была организована первая лаборатория тугоплавких металлов на Московском электроламповом заводе, а затем создана мощная сеть научных учреждений. После организации Г.А.Меерсоном в 1923 г. на Московском кабельном заводе производства порошка вольфрама и получения в 1932 г. на Ленинградском механическом заводе первых промышленных партий порошка электролитического железа, работы ученых привели к созданию ряда оригинальных процессов изготовления металлических порошков.

Процесс получения железного порошка комбинированным восстановлением окалины газом и сажей в 1948 - 1958 гг. был положен в основу строительства Броварского завода порошковой металлургии (Украина). В 1953 - 1957 гг. организовано производство порошков сложнолегированных сталей и сплавов методом металлотермического восстановления. Разработан метод получения легированных порошков железа диффузионным насыщением. Получены порошки карбонильным методом, механическим измельчением, исследуются процессы получения порошков восстановлением окислов, электролизом водных растворов и расплавленных сред. Внедрены методы получения металлических порошков распылением расплавов.

В настоящее время изготавливаются в промышленном масштабе порошки таких металлов, как железо и его сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и другие. Существенные успехи достигнуты в разработке теоретических основ и технологии процессов прессования и формования изделий из порошков.

Первыми видами изделий из порошков, производство которых было организовано в 1918 г., были медно-графитовые щетки. В дальнейшем создано большое количество электроконтактных материалов на основе серебра с добавками никеля, окиси кадмия, графита; на основе вольфрама с пропиткой медью и ряд других.

В 60-х годах широко развились работы по созданию спеченных конструкционных материалов на железной основе, с пропиткой прессовок медью и ее сплавами, с введением в состав материала углерода в виде графита или порошка белого чугуна, с заполнением пор материала стеклом, что дало повышение прочности до 75 - 80 кг/мм 2 . Применение легированных порошков в сочетании с горячей штамповкой или высокоскоростным холодным прессованием с последующим спеканием позволило получить материалы с прочностью выше 200 кг/мм 2 .

Типовая технология производства заготовки изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции:

• – получение порошка исходного материала;
• – формование заготовок;
• – спекание;
• – окончательная обработка.

Каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия. В настоящее время используют большое количество методов производства металлических порошков, что позволяет варьировать их свойства, определяет качество и экономические показатели.

Условно различают два способа изготовления металлических порошков:

• 1. физико-механический;
• 2. химико-металлургический.

При физико-механическом способе изготовления порошков превращение исходного материала в порошок происходит путем механического измельчения в твердом или жидком состоянии без изменения химического состава исходного материала. К физико-механическим способам относят дробление и размол, распыление, грануляцию и обработку резанием измельчаемого материала.

При химико-металлургическом способе изменяется химический состав или агрегатное состояние исходного материала. Основными методами при химико-металлургическом производстве порошков являются: восстановление окислов, электролиз металлов, термическая диссоциация карбонильных соединений.

Измельчение твердых материалов - уменьшение начальных размеров частиц путем разрушения их под действием внешних усилий. Различают измельчение дроблением, размолом или истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение хрупких металлов и их сплавов таких, как кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием. Размол вязких пластичных металлов (медь, алюминий и др.) затруднен. В случае таких металлов наиболее целесообразно использование в качестве сырья отходов образующихся при обработке металлов (стружка, обрезка и др.).

Для грубого размельчения используют щековые, валковые и конусные дробилки и бегуны; при этом получают частицы размером 1-10 мм, которые являются исходным материалом для тонкого измельчения, обеспечивающего производство требуемых металлических порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения может быть и стружка. Окончательный размол полученного материала проводится в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов с температурой плавления до 1600°С: алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и других металлов и сплавов. Сущность измельчения расплава состоит в дроблении струи расплава либо высокоэнергонасыщенным газом или жидкостью, либо механическим распылением, либо сливанием струи расплава в жидкую среду (например, воду).

Для распыления металл плавят в электропечах. В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка распыление осуществляют воздухом, азотом, аргоном, гелием, а для защиты от окисления - инертным газом. Распыление воздухом - самый экономичный способ изготовления порошков. Основные параметры процесса распыления: давление и температура газового потока, температура расплава. Охлаждающей средой для распыленной струи может быть вода, газ, органическая жидкость.

Химико-металлургический метод - восстановление металлов из окислов и солей. Простейшая реакция восстановления может быть представлена так:

МеА+Х=Ме+ХА±Q;

где Ме - любой металл, А - неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток и др.) восстанавливаемого химического соединения металла, Х - восстановитель, Q - тепловой эффект реакции.

В качестве восстановителей используют водород, окись углерода, кокс, древесный уголь, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ, эндотермический и природные газы, металлы (кальций, магний, алюминий, натрий, кадмий и др.). Прочность химической связи соединения МеА и образующегося соединения восстановителя ХА позволяет оценить возможность протекания реакции восстановления. Количественной мерой («мерой химического сродства») является величина свободной энергии, высвобождающейся при образовании соответствующего химического соединения. Чем больше выделяется энергии, тем прочнее химическое соединение. В реакции восстановления всегда должна выделяться тепловая энергия.

Железные порошки получают восстановлением окисленной руды или прокатной окалины. Железо в указанных материалах находится в виде окислов: Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO. Медные, никелевые и кобальтовые порошки легко получают восстановлением окислов этих металлов, так как они обладают низким сродством к кислороду. Сырьем для производства порошков этих металлов служат либо окись меди Cu 2 O, CuO, закись никеля NiO, окись-закись кобальта Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , либо окалина от проката проволоки, листов. Восстановление проводят в муфельных или в трубчатых печах водородом, аммиаком или конвертированным природным газом. Температура восстановления сравнительно низка: меди - 400...500°С, никеля - 700...750°С, кобальта - 520…570°С. Длительность процесса восстановления 1...3 ч при толщине слоя окисла 20…25 мм. После восстановления получают губку, которая легко растирается в порошок. Порошок вольфрама получают из вольфрамового ангидрида, являющегося продуктом разложения вольфрамовой кислоты Н 2 WO 4 (прокаливание при 700...800°С). Восстановление проводят либо водородом при температуре 850…900°С, либо углеродом при температуре 1350…1550°С в электропечах. Этим методом (восстановления) получают порошки молибдена титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и сплавов.

Способ электролиза наиболее экономичен при производстве химически чистых порошков меди. Физическая сущность электролиза состоит в том, что при прохождении электрического тока водный раствор или расплав соли металла, выполняя роль электролита, разлагается, металл осаждается на катоде, где его ионы разряжаются. Сам процесс электрохимического превращения происходит на границе электрод (анод или катод) - раствор. Источником ионов выделяемого металла служат, как правило, анод, состоящий из этого металла, и электролит, содержащий его растворимое соединение. Такие металлы как никель, кобальт, цинк выделяются из любых растворимых в виде однородных плотных зернистых осадков. Серебро и кадмий осаждаются из простых растворов в форме разветвленных кристаллитов, а из растворов цианистых солей - в виде плотных осадков. Размеры частиц осаждаемого порошка зависят от плотности тока, наличия коллоидов и поверхностно активных веществ. Очень большое влияние на характер осадков оказывает чистота электролита, материал электрода и характер его обработки.

Карбонилы - это соединения металлов с окисью углерода Me(CO)C, обладающие невысокой температурой образования и разложения. Процесс получения порошков в карбонильном процессе состоит из двух главных этапов:

– получение карбонила из исходного соединения

MeаXb+cCO=bX+Mea(CO)c,

– образование металлического порошка

Меа(СО)с= аМе+сСО.

Основным требованием к таким соединениям является их легколетучесть и небольшие температуры образования и термического разложения (кипения или возгонки). На первой операции - синтеза карбонила - отделение карбонила от ненужного вещества Х достигается благодаря летучести карбонила. На втором этапе происходит диссоциация (разложение) карбонила путем его нагрева. При этом возникающий газ СО может быть использован для образования новых порций карбонилов. Для синтеза карбонилов используют металлсодержащее сырье: стружку, обрезки, металлическую губку и т.п. Карбонильные порошки содержат примеси углерода, азота, кислорода (1...3%). Очистку порошка производят путем нагрева в сухом водороде или в вакууме до температуры 400...600°С. Этим методом получают порошки железа, никеля, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама.

Металлические порошки характеризуются химическими, физическими и технологическими свойствами. Химические свойства металлического порошка зависят от химического состава, который зависит от метода получения порошка и химического состава исходных материалов. Содержание основного металла в порошках составляет 98...99%. Допустимое количестве примесей в порошке определяется допустимым их количеством в готовой продукции. Исключение сделано для окислов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других, которые при нагреве в присутствии восстановления легко образуют активные атомы металла, улучшающие спекаемость порошков. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислород, водород, азот и др.), как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке. Газовые пленки на поверхности частиц порошка образуются самопроизвольно из-за ненасыщенности силовых полей в поверхностных слоях. С уменьшением частиц порошка увеличивается адсорбция газов этими частицами.

При восстановлении химических соединений часть газов - восстановителей и газообразных продуктов реакции не успевает выйти наружу и находится либо в растворенном состоянии, либо в виде пузырей. Электролитические порошки содержат водород, выделяющийся на катоде одновременно с осаждением на нем металла. В карбонильных порошках присутствуют растворенные кислород, окись и двуокись углерода, а в распыленных порошках - газы, механически захваченные внутрь частиц.

Большое количество газов увеличивает хрупкость порошков и затрудняет прессование. Интенсивное выделение газов из спрессованной заготовки при спекании может привести к растрескиванию изделий. Поэтому перед прессованием или в его процессе применяют вакуумирование порошка, обеспечивающее удаление значительного количества газов.

При работе с порошками учитывают их токсичность и пирофорность. Практически все порошки оказывают вредное воздействие на организм человека, однако и в компактном виде (в виде мелких частичек порошка) большинство металлов безвредно. Пирофорность, т.е. способность к самовозгоранию при соприкосновении с воздухом, может привести к воспламенению порошка и даже взрыву. Поэтому при работе с порошками строго соблюдают специальные меры безопасности. Физические свойства частиц характеризуют форма, размеры и гранулометрический состав, удельная поверхность, плотность и микротвердость.

В зависимости от метода изготовления порошка получают соответствующую форму частиц: сферическая - при карбонильном способе в распылении, губчатая - при восстановлении, осколочная - при измельчении в шаровых мельницах, тарельчатая - при вихревом измельчении, дендритная - при электролизе, каплевидная - при распылении. Эта форма частиц может несколько изменяться при последующей обработке порошка (размол, отжиг, грануляция). Форма частиц значительно влияет на плотность, прочность и однородность свойств прессованного изделия. Действительная плотность порошковой частицы, носящая название пикнометрической, в значительной мере зависит от наличия примесей закрытых пор, дефектов кристаллической решетки и других причин и отличается от теоретической. Наибольшее отклонение плотности порошковых частиц от теоретической плотности наблюдают у восстановленных порошков из-за наличия остаточных окислов, микропор, полостей. Микротвердость порошковой частицы характеризует ее способность к деформированию. Способность к деформированию в значительной степени зависит от содержания примесей в порошковой частице и дефектов кристаллической решетки.

Технологические свойства порошка: насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость. Насыпная плотность - это масса единицы объема порошка при свободном заполнении объема. Текучесть порошка характеризует скорость заполнения единицы объема и определяется массой порошка высыпавшегося через отверстие заданного диаметра в единицу времени. От текучести порошка зависит скорость заполнения инструмента и производительность при прессовании. Под прессуемостью порошка понимают свойство порошка приобретать при прессовании определенную плотность в зависимости от давления, а под формуемостью - свойство порошка сохранять заданную форму, полученную после уплотнения при минимальном давлении. Количественно прессуемость определяется плотностью спрессованного брикета, формуемость оценивают качественно, по внешнему виду спрессованного брикета, или количественно - величиной давления, при котором получают неосыпающийся прочный брикет.

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или вакууме) при температуре 0,4...0,6 абсолютной температуры плавления металла порошка. Наиболее часто отжигают порошки, полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

Классификация порошков - это процесс разделения порошков по величине частиц. Порошки с различной величиной частиц используют для составления смеси, содержащей требуемый процент каждого размера. Классификация частиц размером более 40 мкм производят в проволочных ситах. Если свободный просев затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифицируют на воздушных сепараторах.

В производстве для изготовления изделий используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков есть одна из важных операций и задачей ее является обеспечение однородности смеси, так как от этого зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах и смесителях. Соотношение шихты и шаров по массе 1:1. Смешивание сопровождается измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия.

При приготовлении шихты некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама, карбидов металлов) для повышения формуемости в смесь добавляют пластификаторы - вещества смачивающие поверхность частиц. Они должны удовлетворять требованиям: обладать высокой смачивающей возможностью, выгорать при нагреве без остатка, легко растворяться в органических растворителях.

Дозирование - это процесс отделения определенных объемов смеси порошка. Различают объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное дозирование используют при автоматизированном формовании изделий. Дозирование по массе наиболее точный способ, этот способ обеспечивает одинаковую плотность формования заготовок.

Для формования изделий из порошков применяют следующие способы: прессование в стальной прессформе, изостатическое прессование, прокатку порошков, мундштучное прессование, шликерное формование, динамическое прессование.

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (стальной прессформе), возникает сцепление частиц, и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и заклинивания - механического сцепления частиц. У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков малой площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется вглубь частиц.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью, прессование называют гидростатическим. Из-за практического отсутствия трения между оболочкой и порошком спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечениям, а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессформах. Недостатком является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси порошка с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице. В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины. Обычно мундштучное прессование выполняют при подогреве материала изделия и в этом случае пластификатор не используют; порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400...600°C, меди - 800...900°С, никеля - 1000...1200°С, стали - 1050...1250°С. Для предупреждения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или прессование в защитных оболочках.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой. Шликер - это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости). После удаления изделия из формы его сушат при 110...150°С в сушильных шкафах. Этим способом изготовляют трубы, сосуды и изделия данной формы.

Динамическое прессование - это процесс прессования с использованием импульсных нагрузок. Процесс имеет ряд преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Источником энергии являются: взрыв заряда взрывчатого вещества, энергия электрического разряда в жидкости, импульсное магнитное поле, сжатый газ, вибрация. В зависимости от источника энергии прессование называют взрывным, электрогидравлическим, электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным.

Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления. В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков расплавляются.

При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду. Все металлы имеют кристаллическое строение. С повышением температуры энергия и амплитуда колебательных движений атомов увеличивается и возможен переход атома в новое положение, где его энергия и амплитуда снова увеличиваются и возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит название диффузии и может совершаться как по поверхности (поверхностная диффузия), так и в объеме тела (объемная диффузия). Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии. При этом происходит изменение геометрических размеров изделия - усадка. Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема, и поэтому различают линейную и объемную усадку. Рекристаллизация при спекании приводит к росту зерен и уменьшению суммарной поверхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен ограничен тормозящим влиянием посторонних включений на поверхностях зерен: порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную. Перенос атомов через газовую среду наблюдают при испарении вещества и конденсации его на поверхности других частиц, что происходит при определенной температуре. Перенос вещества увеличивает межчастичные связи и прочность сцепления частиц, способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.

При жидкофазном спекании в случае смачивания жидкой фазой твердой фазы увеличивается сцепление твердых частичек, а при плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит процесс спекания, препятствуя уплотнению. Смачивающая жидкая фаза приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы. При жидкофазном спекании можно получить практически беспористые изделия. Различают спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса спекания, и спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе.

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие: сравнительно высокая стоимость металлических порошков; необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии; трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров; сложность получения металлов и сплавов в компактном состоянии; необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоинства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие. Развитие дугового, электроннолучевого, плазменного плавления и электроимпульсного нагрева позволили получать не достижимые прежде температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве несколько снизился. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, как, например, трудность приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод распыления дает возможность с достаточной полнотой и эффективностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержащиеся в металле до расплавления. Благодаря созданию методов всестороннего обжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок крупных размеров.

В то же время ряд основных достоинств порошковой металлургии - постоянно действующий фактор, который, вероятно, сохранит свое значение и при дальнейшем развитии техники. С увеличением масштабов выпуска и совершенствованием методов изготовления порошков решатся такие проблемы порошковой металлургии как: дороговизна исходных материалов. При массовом производстве расходы, связанные с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений для каждого вида деталей сократятся до минимума. С исследованием и использованием на производстве получения чистых порошков распылением расплавленного железа решены такие проблемы как необходимость получения достаточно чистых исходных материалов.

Список использованной литературы

• 1. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. - М.: Металлургия, 1978.
• 2. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. - М.: Металлургия, 1982.
• 3. Еськов Б.Б., Лагунов Д.В., Лагунов В.С. Пористые материалы. - Воронеж, 1995.
• 4. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1985.
• 5. Раковский B.C., Саклинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1983.

Порошковая металлургия – отрасль промышленности, включающая в себя определенный набор способов производства металлических порошков, а также изготовление деталей из этих материалов. Это направление металлургии как способ получения готовых изделий начало активно развиваться около ста лет назад.

Плюсы производства

Такой способ производства деталей имеет ряд преимуществ, которые позволяют ему вытеснять более дорогие методы обработки металлов: , ковку и .

Существующий ряд преимуществ:

• Экономичность – исходным материалом для изготовления порошков являются разного типа отходы, например, окалина. Этот отход металлургического производства больше нигде не используется, а методы порошковой металлургии позволяют компенсировать такие технологические потери.
• Точность геометрических форм деталей. Изделия, изготовленные методом порошковой металлургии, не нуждаются в последующей обработке резанием. Следовательно, производство осуществляется с низким процентом отходов.
• Высокая износостойкость изделий.
• Простота технологического процесса.

Технология производства методом порошковой металлургии имеет много общего с изготовлением керамических изделий.

Эти процессы объединяет то, что сырьевой материал (в одном случае это песок и глина, в другом – металл) погружается в раскаленную печь. В итоге получается пористая структура материала. Такая схожесть технологических процессов привела к тому, что детали, изготовленные методом порошковой металлургии, называют металлокерамическими.

Технологический процесс производства порошков

Получение металлокерамической детали начинается с изготовления порошков. Порошки бывают разных фракций и различных размеров. Отсюда – различие в способах их производства.

Существуют две группы принципиально разных методов получения порошков:

• Физико-механические методы – измельчение посредством механического воздействия на металлические частицы в твердой или жидкой фазе. Эти методы основаны на комбинировании статических и ударных нагрузок.
• Химико-металлургические методы – изменение фазового состояния исходного сырья. Это восстановление окислов и солей, электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений.

Имеются ключевые моменты применяющихся способов производства металлических порошков:

• Шаровой способ – мелкие металлические обрезки со стружкой дробятся и перетираются в шаровой мельнице.
• Вихревой способ – нагнетание в специальных мельницах (при помощи вентиляторов) сильного воздушного потока, приводящего к взаимному столкновению частиц металла. На выходе получается качественно измельченный порошок, с блюдцеобразной формой зерен.
• Применение специальных дробилок. Принцип действия таких устройств основан на измельчении металлических частиц с помощью ударного воздействия падающего груза.
• Распыление – легкоплавкий металл, находящийся в жидкой фазе, распыляется потоком сжатого воздуха. После этого его отправляют для размельчения к быстровращающемуся диску.
• Электролиз – металл восстанавливается из расплава под воздействием электрического тока, что делает его хрупким. Это свойство дает ему возможность легко перемалываться в мельнице до состояния порошка. Форма зерен порошка при этом дендритная.

Физико-механические методы

Порошок требуемых фракций получают в центробежных мельницах разного типа.

Первичное измельчение – промежуточный этап производства порошков. Его осуществляют в конусных и валковых дробилках. В этих устройствах получат мелкие частицы металла с размером, не превышающим 1 см.

Процедура измельчения может длиться, в зависимости от применяемой технологии, от одного часа до 3–4 суток. Когда требуется сократить этот процесс, применяются уже не шаровые, а вибрационные мельницы.

В таких мельницах интенсивность процесса возрастает за счет присутствия усилий резания и создания переменных напряжений. Окончательный размер порошковых частиц составляет от 0,009 мм до 1 мм.

С целью повышения производительности процесса измельчения, его осуществляют в условиях жидкостного воздействия – для недопущения распыления металла. Объем задействованной жидкости составляет 40% от массы измельчаемых частиц.

Для измельчения твердосплавных частиц применяют планетарные центробежные мельницы. Отрицательной стороной работы такого устройства считается периодичность ее работы.

Физико-механические методы не подходят в случае необходимости измельчения , обладающих высокой пластичностью. Пластичные металлы измельчаются вихревыми мельницами, их принцип действия основан на измельчении частиц путем их взаимных ударов.

Химико-металлургические методы

Чаще остальных применятся метод восстановления железа. Выполняется он из рудных окислов или окалины, образующейся в процессе горячей прокатки. Во время реакции восстановления металла нужно постоянно отлеживать количество газообразных соединений в составе порошка.

Превышение предельно допустимой нормы их содержания, приведет к повышенной хрупкости порошка. А это, в свою очередь, делает невозможным операцию прессования. Если избежать этого превышения не удалось, применяют вакуумную обработку, удаляющую большое количество газов.

Способ, основанный на распылении и грануляции – самый дешевый и простой при получении порошков. Дробление происходит под воздействием струй расплава или инертного газа. Распыление осуществляется с помощью форсунок. Регулируемые параметры процесса распыления – температура и давление газового потока. Охлаждение – водяное.

Применение электролиза как метода производства порошков наиболее целесообразно для задачи получения медных порошков, которые имеют высокую степень чистоты.

Производство порошковых изделий

Свойства металлических порошков

Порошки, как и любой другой материал, имеет ряд стандартных свойств, которые влияют на его технологическую пригодность. Специалисты к ним относят следующие свойства:

• плотность порошков, именуемая пикнометрической, определяется химической чистотой порошка и степенью его пористости;
• насыпной плотностью порошков называется его масса, полученная при свободном наполнении емкости определенного объема;
• текучестью порошков считается быстрота наполнения емкости определенного объема. Это очень важный технологический параметр, потому как от него зависит производительность последующего прессования;
• пластичность – свойство порошков принимать заданную форму и сохранять ее после прекращения нагрузки.

Получение изделий из порошков

В независимости от метода получения металлических порошков, его дальнейший путь лежит через обработку давлением с помощью специальных пресс-форм.

Для формообразования изделий из порошков применяют прессование с применением пресс-форм, прокатку и шликерную формовку.

Последняя является аналогом литья расплавленного металла в форму. Таким способом изготавливаются детали, имеющие форму тел вращения.

Формовка

Формование порошков – подготовительная операция, предваряющая процесс прессования. Включает в себя термообработку, подготовку смеси и дозировку. Повысить свойства пластичности порошков помогает термический отжиг.

Термообработка проходит в среде защитных газов при температуре от 40 до 60 процентов от температуры плавления металла. Для получения однородности состава порошков, они подвергаются обязательно операции сепарирования: просеивания металлических частиц через специальные сита. Только после того, как порошок просеян, следует переходить к приготовлению смеси порошков нужного состава.

Прессование

Суть процесса прессования заключается в плотном соединении частичек металлического порошка друг с другом. Рабочее давление механического пресса при этом составляет от 1 до 6 тыс. кг на квадратный сантиметр.

Изделия, полученные прессованием, не имеют высоких прочностных характеристик. Поэтому им требуется термообработка, заключающаяся в спекании порошков. Частицы металла в процессе расплавления образуют между собой крепкие межатомные связи, делая деталь однородной по своей структуре.

Стоит отметить, что часто операции прессования и спекания объединены в одну – горячее прессование.

Причем нагрев в этом случае осуществляют токами высокой частоты.Производство деталей из порошков методом горячего прессования значительно сокращает время, затрачиваемое на их изготовление.

Этот фактор позволяет экономить энергетические ресурсы и снижает себестоимость производства изделий.

Области применения деталей порошковой металлургии

Порошковая индустрия как способ изготовления и обработки металлов очень разнообразен по своим технологическим методам. Это дает возможность получать детали требуемого состава и необходимых свойств.

Применяя методы порошковой металлургии производства, специалисты могут производить новейшие композитные материалы, получения которых традиционными методами невозможно. Производство деталей машин и механизмов из металлических порошков дает существенную экономию на материале, за счет получения низкого расходного коэффициента.

Металлокерамические изделия применяются в широком спектре областей приборостроения, радиоэлектроники и . Применяются порошки и в производстве режущего инструмента: резцов, сверл.

Сверла изготавливаются из порошкового металла

Производство изделий из металлических порошков в настоящий момент имеет высокую степень автоматизации. Технологическая простота операций позволяет применять работников без высокой квалификации. Эти факторы благоприятно отражаются на себестоимости продукции порошковой металлургии.

При уровне пористости порошков, который не превышает норму, они не уступают по показателю коррозионной стойкости. Особенно деталям, изготовленными стандартными способами.

Изделия порошковой металлургии обладают способностью хорошо переносить резкие скачки температур. Поэтому они применяются в средах, работающих в таких условиях.

Детали узлов трения

Специфика применения металлокерамических изделий обусловлена их свойством хорошо удерживать смазочные материалы. Эта их особенность определяется пористой структурой.

Это свойство способствует изготовлению из порошков деталей, испытывающих в своей работе трение: подшипники скольжения, направляющие втулки, вкладыши, щетки электродвигателей.

Пористая структура подшипников из порошков позволяет пропитывать их маслом. Впоследствии смазка попадает на трущиеся поверхности. Такие подшипники получили название самосмазывающиеся.

Они имеют следующие достоинства:

• экономичность – применение таких подшипников позволяет уменьшить расход масла;
• износостойкость;
• экономия на материале. Замена дорогостоящей бронзы и баббита на железо.

Свойство пористости металлокерамических деталей специалисты могут усилить, если при изготовлении добавлять в них графит, который, как известно, обладает высокими смазывающими свойствами. Подшипники с повышенным содержанием графита не нуждаются в применении масла.

Композитные материалы

Большое развитие порошковая индустрия получила с развитием высокотехнологичной техники, требующей изделий из композитных материалов. Отличие композитов от сплавов состоит в возможности получать прочные соединения разнородных металлических и неметаллических компонентов.

Выплавка традиционным способом в металлургических печах не создает растворов, например, вольфрама и . После возникновения композитных материалов эта проблема была решена.

Достигается такой результат обыкновенным смешиванием нужных компонентов, приданием формы на прессе с последующим спеканием.

Ядерное топливо также является композитным материалом.

Твердые сплавы

Твердосплавные изделия получают методами металлокерамики. Повышенная твердость достигается включением в состав карбидных включений. Как известно, с увеличением доли углерода в металле, возрастает его твердость.

Карбидные соединения дают высокую вязкость, сохраняя прочностные свойства порошка. Металлокерамические детали нужны там, где необходима их высокая износостойкость. Чаще всего, это режущий инструмент, а также твердосплавные матрицы и пуансоны для листовой штамповки.

Контактные материалы

Изделия из электроконтактных материалов. Порошковая индустрия незаменима для производства электрических контактов, применяемых в электронике и радиотехнике. В этих отраслях применяются так называемые ферромагнитные порошки.

Другие сферы применения порошков

Еще одним полезным свойством порошков является их жаростойкость, что позволяет применять их в различных тормозных механизмах. Жаростойкие свойства металлокерамики возрастают с добавлением в ее состав хрома, никеля и вольфрама.

Практически все современные магнитные детали производятся из металлических порошков. Технология порошковой металлургии позволяет получить соединения железа с различными силикатами.

Применяют металлокерамические изделия также для фильтрации газов и горючих веществ.

Недостатки порошков

Среди недостатков методов порошковой металлургии следует выделить невозможность изготовления деталей, имеющих сложную геометрическую форму, а также относительно небольшой размер изделий. Прочность и однородность структуры порошков уступает деталям, изготовленным методами , горячей ковки и .

Детали, изготовленные из порошков, имеют более низкую плотность, в сравнении с деталями, изготовленными обработкой металлов давлением. Этот фактор имеет повышенное значение, когда нужно облегчить какой-либо узел механизма. Это дает возможность инженерам-конструкторам решать задачи уменьшения расхода металла, не теряя эксплуатационных свойств деталей.

Порошковая металлургия требует строго соблюдения мер пожарной безопасности. Склонность к самовозгоранию порошков – опасный производственный фактор, требующий четкого соблюдения правил техники безопасности.

Будущее порошковой металлургии

Развитие порошковой металлургии обязано преследовать цель увеличения номенклатуры изделий, которые мастера могут изготовить этим способом.

Детали сложных конфигураций, которые сейчас получают на заводах только обработкой резанием, должны в будущем изготавливаться методами порошковой металлургии. Это позволит уменьшить материалоемкость производства сложных деталей.

Дальнейшая автоматизация производственного процесса – отличительная черта современных промышленных предприятий. Касается она и производства изделий из металлических порошков.

Снижение влияния человеческого фактора на технологический процесс, повышает точность изготовления деталей.

Качество изделий порошковой металлургии с течением времени должно конкурировать с передовыми технологиями производства деталей машин и механизмов. Повышение качества и снижение себестоимости готовой продукции – приоритетная задача предприятий порошковой металлургии.

Видео: Получение порошков