Порошковая металлургия. Особенности технологии порошковой металлургии Порошковый металл что

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, я ряде случаев существенно повышается экономические показатели производства. При этом способе практически в большинстве случаев коэффициент исполь-зования материала составляет около 100%.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлом трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др,)материалы.

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 и 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 а 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. На Киевской Руси железо полу-чали за 1400 лет до новой эры.

С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее 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 техно-логию прессования и спекания платинового порошка.

Типовая технология производства заготовки изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции: 1) получение порошка исходного материала; 2)формование заготовок;

3) спекание и 4) окончательную обработку. каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия.

Производство металлических порошков и их свойства. 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 путём ме-ханического измельчения я 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 составили агрегатное состояние исходного материала. Основными методами при химико-металлургическом производстве порошков являются:восстановление окислов, электролиз металлов, термическая диссоциация карбонильных соединений.

Механические методы получения порошков. 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 я качестве сырья отходов образующиеся при обработке металлов (стружка,обрезка и др.).

При измельчении комбинируются различные виды воздействия на материал статическое -сжатие и динамическое - удар, срез - истирание, первые два вида имеют место при получении крупных частиц, второй и третий - при тонком измельчении. При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия выполняет работу упругого и пластического деформирования и разрушения, нагрева материалов, участвующих я процессе размельчения.

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 металли-

ческих порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения

может быть и стружка, получаемая при точении, сверлении, фре-

зеровании и других операциях обработки резанием; при резании

получают кусочки стружки размером 3...5 мм почти для любых ме-

таллов путем изменения режимов резания,углов резания и введе-

ния колебательных движений

Окончательный размол полученного материала проводится в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах. Шаровая мельница (рис. 1) - простейший аппарат,используется для получения относительно мелких порошков с размером частиц от нескольких единиц до десятков микрометров.

Рис1.Схемы движения шаров в мельнице:а-режим скольжения,б-режим перекатывания, в-режим свободного скольжения,г-режим критической скорости.

Рис2.схема вибрационной мельницы:1-корпус-барабан,2-вибратор вращения,3-спиральные

пружины,4-электродвигатель,5-упругая соединительная муфта.

В мельницу загружают размольные тела

(стальные или твердосплавные шары) и измельчаемый материал.

При вращении барабана шары поднимаются вследствие трения на

некоторую высоту и поэтому возможно несколько режимов измель-

чения: 1) скольжения, 2) перекатывания, 3) свободного падения,

4) движения шаров при критической скорости вращения барабана.

В случае скольжения шаров по внутренней поверхности вращающегося барабана материал истирается между стенкой барабана и внешней поверхностью массы шаров, ведущей себя как единое целое. При увеличении частоты вращения шары поднимаются и скатываются по наклонной поверхности и измельчение происходит между поверхностями трущихся шаров. Рабочая поверхность истирания в этом случае во много роз больше и поэтому происходит более ин-тенсивное истирание материала, чем а первом случае. При большей частоте вращения шары поднимаются до наибольшей высоты и падая вниз (рис. 1,а), производят дробящее действие, дополняемое истиранием материала между перекатывающимися шарами. Это наиболее интенсивный размол. При дальнейшем увеличении частоты вращения шары вращаются вместе с барабаном мельницы, а измельчение при этом практически прекращается.

Интенсивность измельчения определяется свойствами материала, соотношением рабочих размеров - диаметра и длины барабана, соотношением между массой и размерами размольных тел и из-мельчаемого материала. При D:L=3...5 (D - диаметр, L- длина барабана) преобладает дробящее действие, при D:L<3 - истирающее действие; для измельчения пластичных металлов это соотношение должно быть меньше трех.Масса размольных тел считается оптимальной при 1,7...2 кг размольных тел на 1 л объема бара-бана. Соотношение между массой размольных тел и измельчаемого материала составляет 2,5...3. Для интенсивного измельчения это соотношение увеличивают.Диаметр размольных шаров не должен превышать 1/20 диаметра мельницы. Для увеличения интенсивности измельчения процесс проводят в жидкой среде, препятствующей распылению материала и слипанию частичек. Количество жидкости составляет 0,4 л на 1кг размалываемого материала. Длительность измельчения:от нескольких часов до нескольких суток. В производстве используют несколько типов шаровых мельниц. В различных типах шаровых мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50. . . 100.

При более высокой частоте воздействия внешних сил на частицы материала применяют вибрационные мельницы (рис. 2). В таких мельницах воздействие на материал заключается я создании сжимающих и срезывающих усилий переменной величины, что создает усталостное разрушение порошковых частиц. В показанной на рис, 2 мельнице дисбалансный вал - вибратор 2, вращающийся с частотой 1000-3000об/мин при амплитуде 2...4 мм вызывает круговые движения корпуса 1 мельницы с размольными телами и измельчаемым материалом. В этом случае измельчение протекает интенсивнее, чем в шаровых мельницах.

Тонкое измельчение трудноразмалываемых материалов часто выполняют на планетарных центробежных мельницах с шарами, используемыми для размола. По сравнению с шаровыми мельницами в планетарных центробежных мельницах, размол в сотни раз интенсивнее и одновременно в несколько раз менее производителен, так эта мельница периодического, но не непрерывного (как шаровая) действия с ограниченной загрузкой измельчаемого материала.

Для размола пластичных материалов используют процесс измельчения, я котором разрушающие удары наносят сами частицы измельчаемого материала. Для этого используют вихревые мельни-цы.

Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов с температурой плавления до1600 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 жидкую среду (например воду). Из многих вариантов наиболее широко применяется схема распыления металлов, представленная на рис. 3, Основной частью технологического узла является форсунка.

Для распыления металл плавят в электропечах.В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошке 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.

При различных условиях распыления получают частички порошка каплеобразной, шарообразной и других форм. Размеры частиц получают от 1 мм до сотых долей миллиметра.

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 (кис-

лород, хлор, фтор, солевой остаток и др.) восстанавливаемого

химического соединения металла, Х - восстановитель, Q - тепло-

вой эффект реакции

Стрелки показывают возможное одновременное существование соединений восстанавлиаемого металла в восстановителя и возможное повторное образование исходного соединения МеА. Восстано-вителем может быть то вещество, которое при выбранной температуре процесса имеет большее ритмическое сродство к неметаллической составляющей восстанавливаемого соединения, чем получаемый. В качестве восстановителей используют - водород, окись углерода, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ,эндотермический и природные газы, кокс, термоштыб и древесный уголь, металлы (кальций, магний, алюминий, натрий,кадмий идр.). 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.Иными словами реакция восстановления возможна в том случае, когда при соединении восстановителя ХА выделяется энергии больше, чем при образовании соединения металла МеА по реакции Ме+А=МеА. В реакции восстановления всегда должна выделяться тепловая энергия.

Технологическая практика производства порошков восстановлением. Железные порошки получают восстановлением окисленной руды или прокатной окалины.Железо в указанных материалах находится а виде окислов: Fe2 O3,Fe3 O4,FeO - окиси, закись - окиси и закиси железа. Существующие методы восстановления окислов же-леза разнообразны.

Классификационная схема методов восстановления железа представлена на рис.4.

Восстановление окислов железа.

Твердым углеродом Газом Комбинированным способом

_____________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

Сыпучая щихта Брикетированная шихта

____________________________________________________________________

Взвешенное состояние Кипящий слой Стационарный слой

________________________________

________________________________________________________________________

Специальные Тунельная Муфельная Шахтная Печь с шага- Вращающая Кольцевая

агрегаты печь проходная печь ющим подом печь печь

___________ __________ __________ _________ ___________ ___________ ________

_______________________________________________________________

____________________________________________

При умеренном давлении восста- При повышенном давлении восста- При нормальном давлении

новительного газа,р=4-6 ат новительного газа, р=20-40 ат восстановительного газа

При повышенных температурах, При умеренных температурах При высоких температурах

t=800-850 C t=500-600 C t>1000 C

Рис.4 Классификация существующих методов восстановления окислов железа.

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 Cu2O,CuO,закись никеля

NiO , окись - закись кобальта Co2O3,Co3O4, либо окалина от

прокaта проволоки, листов и т.д. Восстановление проводят в му-

фельных или в трубчатых печах водородом, диссоциированным ам-

миаком или конвертированным природным газом. Температура восс-

тановления сравнительно низка: меди - 400...500~С, никеля -

700”...750 С, кобальта - 520..570 С. Длительность процесса

восстановления 1...3 ч при толщине слоя окисла20..25 мм. После

восстановления получают губку, которая легко растирается в по-

Порошок вольфрама получают из вольфрамового ангидрида,яв-ляющегося продуктом разложения вольфрамовой кислоты Н2WO4 (прокаливание при 700...800 С) или паравольфрамата аммония 5(Na4)2O*12WO3*11H2O(разложение при 300 С и более). Восстановление проводят либо водородом при температуре 850..900 С, либо углеродом при температуре 1350..1550С в электропечах.

Этим методом (восстановления) получают порошки молибдена

титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и спла-

Электролиз

Этот способ наиболее экономичен при производстве химически чистых порошков меди. Физическая сущность электролиза (рис.5) состоит в том, что при прохождении электрического тока водный раствор или расплав соли металла, выполняя роль электролита, резлагается, металл осаждается на катоде, где его ионы разряжаютсяМе+ne=Me 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.

Производительность злектролиза оценивается на осно-

вании закона Фарадея по электрохимическому эквиваленту

где q - количество выделившегося на электроде порошка,Г., J - сила тока, А., Т - время, Ч., С - электрохимичесиий эквивалент.Количество выделившегося на электроде порошка всегда меньше теоретического из-за протекания точных процессов.

Карбонильный процесс

Карбонилы - это соединения металлов с окисью углерода Me(CO)C, обладающие невысокой температурой образования и разложения. Процесс получения порошков по этому методу 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 легко-летучесть 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 пут м 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.

Свойства порошков. Свойство металлических порошков характе-ризуются 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%. При изготовлении изделий с особыми свойствами, например магнитными, применяют более чистые порошки. 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. Содержание таких окислов в порошке может составлять 1...10%. 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 полей силовых 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, вы-деляющийся 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 зна-чительного количества газов.

При работе с порошками учитывают их токсичность и пирофорность. Практически все порошки оказывают вредное воздействие на организм человека однако и 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.

Форма частиц.В зависимости от метода изготовления порошка

получают соответствующую форму частиц: сферическая - при кар-

бонильном 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). Контроль формы частиц выполняют на микроскопе. Форма частиц значительно влияет на плотность, прочность и однородность свойств прессованного изделия. Размер частиц и гранулометрический состав. Значительная часть порошков представляет собой смесь частиц порошка размером от долей микрометра до десятых долей миллиметра.Самый широкий диапазон размеров частиц у порошков полученных восстановлением и электролизом. Количественное соотношение объемов частиц различных размеров к общему объему порошка называют гранулометрическим составом.

Удельная поверхность - это сумма наружных поверхностей всех частиц,имеющихся в единице объема или массы порошка. Для металлических порошков характерна величина удельной поверхности от 0.01 до 1 м2/г (у отдельных порошков - 4 м2/г у вольфра-ма, 20 м2/г у карбонильного никеля) . Удельная поверхность по-рошка зависит от метода получения его и значительно влияет не прессование и спекание.

Плотность. 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.Плотность определяют в приборе - пикнометре, представляющем собой колбочку определенного обьема и заполняемую сначала на 2/3 объема порошком и после взвешивания дозаполняют жидкостью, смачивающей порошок и химически инертной к нему. Затем снова взвешивают порошок с жидкостью. И по результатам взвешиваний находят массу порошка в жидкости и занимаемый им объем. Деление массы на объем позволяет вычислить пикнометрическую плотность порошка.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. Для измерения микротвердости в шлифованную поверхность частицы вдавливают алмазную пирамиду с углом при вершине 136 под действием нагрузки порядка 0,5... 200г. Измерение выполняют на приборах для измерения микротвердости ПМТ-2 и ПМТ-З.

Технологические свойства порошка определяют: 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. Текучесть порошка обычно уменьшается с увеличением удельной поверхности и шероховатости частичек порошка и усложнением их формы. Последнее обстоятельство затрудняет относительное перемещение частиц.

Влажность также значительно уменьшает текучесть порошка.

Прессуемость и формуемость. Под прессуемостью порошка понимают свойство порошка приобретать при прессовании определенную плотность в зависимости от давления, а под формуе-мостью - свойство порошка сохранять заданную форму, полученную после уплотнения при минимальном давлении. Прессуемость в основном зависит от пластичности частиц порошка, а формуемость - от формы и состояния поверхности частиц. Чем выше насыпная массе порошка, тем хуже, в большинстве случаев, формуемость и лучше прессуемость. Количественно прессуемость определяется плотностью спрессованного брикета, формуемость оценивают качественно, по внешнему виду спрессованного брикета, или количественно - величиной давления, при котором получают неосыпающийся, прочный брикет.

Формование металлических порошков.

Целью формования порошка является придание заготовкам из

порошка формы,размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующиеоперации: отжиг, классификацию, приготовле-ние 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 (восста-новительной, 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 каж-дого размера. Классификация частиц размером более 40 мкм производят в проволочных ситах. Если свободный просев затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифи-цируют на воздушных сепараторах.

Приготовление смесей. 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 свойстваизделий. 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 прово дят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия.

Равномерное и быстрое распределение частиц порошков в объеме смеси достигается при близкой по абсолютной величине плотности смешиваемых компонентов.При большой разнице абсолютной величины плотностей наступает расслоение компонентов.В этом случае полезно применять раздельную загрузку компонентов по частям: сначала более легкие с каким-либо более тяжелым, затем остальные компоненты.Смешивание всегда лучше происходит в жидкой среде, что не всегда экономически целесообразно из-за усложнения технологического процесса.

При приготовлении шихты некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама, карбидов металлов) для повышения формуемости в смесь добавляют пластификаторы - вещества смачивающие поверхность частиц. Пластификаторы должны удовлетворять требованиям: обладать высокой смачивающей возмож-ностью,выгорать при нагреве без остатка, легко растворяться в органических растворителях.Раствор пластификатора обычно заливают в перемешиваемый порошок, затем смесь сушат для удаления растворителя.Высушенную смесь просеивают через сито.

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, шли-керное формование,динамическое прессование.

Прессование в стальной прессформе

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (рис.6) воз-никает сцепление частиц и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смеще-ния 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.

Рис.6 Схема прессования в прес- Рис. 7 Кривая идеального процесса уплотнения.

сформе (1-матрица, 2-пуансон,

3- нижний пуансон, 4- порошек)

и схема распределения давления по высоте.

У хрупких материалов деформация проявляется в разруше-нии выступов частиц. Кривая процесса уплотнения частиц порошка (рис.7) имеет три характерных участка. Наиболее интенсивно плотность нарастает на участке A при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. После этого заполнения пустот возникает горизонтальный участок B кривой, связанный с возрастанием давления и практически неизменяющейся плотностью.т.е. неизменным объемом порошка. При достижении предела текучести при сжатии порошкового тела начинается деформация частиц и третья стадия процесса уплотнения (участок С! ‘). При перемещении частиц порошка в прессформе возникает давление порожка на стенки. Это давление меньше давления со стороны сжима-ющего порошок пуансона (рис.6) из-за трения между частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами. Величина давления на боковые стенки зависит от трения между части-цами, частицами и стенкой прессформы и равна 25...40% вертикального давления пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальная величина давления получается неоди-наковой: у пуансона наибольшей, а у нижней части - наименьшей (рис.6). По этой причине невозможно получить по высоте отпрес-сованной заготовки равномерную плотность. Неравномерность плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше ми-нимального поперечного сечения. При прессовании засыпанных в цилиндрическую прессформу одинаковых доз порошка, разделенных прокладками из тонкой фольги получают отдельные слои различной формы и размера (рис.8).

Рис.8 Схема распределения плотности по вертикальному

сеченю спрессованного порошка при одностороннем приложении давления (сверзу).

В вертикальном направлении каждый верхний слой оказывается- тоньше нижележащего. Изгиб слоев объ-ясняется меньшей скоростью перемещения порошка у стенки из-за трения, чем в центре. Наибольшая плотность получается на расс-тоянии около 0.2...0.3 наименьшего поперечного размера прессуе-мого изделия, что связано с действием сил трения между торцом пуансона и порошком.

Для получения более качественных изделий после прессования

· получения более равномерной плотности по различным сечениям применяют смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту, поливиниловый спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутреннее трение и трение на стенках инструмента. Смазку обычно)- в порошок, что обеспечивает наилучшие производственные показатели.

При выталкивании изделия из прессформы из-за упругого увеличения ее поперечных размеров, размеры изделия несколько превышают размеры поперечного сечения матрицы. Величина изменения размеров зависит от величины зерен и материала порошка, формы и состаяния поверхности частиц, содержания окислов, механических свойств материала, давления прессования, смазки, материала матрицы и пуансона и других параметров. В направлении действия прессующего усилия изменения размеров больше, чем в поперечном направлении.

Представленная схема (рис.6) показывает одностороннее прессование, которое применяют для прессуемых изделий с соотношением высоты И к наименьшему размеру поперечного сечения d:H/d = 2...3. Если это соотношение больше 3, но меньше 5, то применяют схему двухстороннего прессования; при большем соотношении размеров применяют другой метод.

Прессование сложных изделий, т.е. изделий с неодинаковыми размерами в направлении прессования, связано с трудностями обеспечения равномерной плотности спрессованного изделия в различных сечениях. Эту задачу решают путем применения нескольких пуансонов, через которые прикладывают к порошку различные уси-лия (рис.9). Иногда при изготовлении изделий сложной формы предварительно прессуют заготовку, а затем придают ей окончательную форму при повторном обжатии - прессовании и спекании.

Рис.9 Схема прессования в прессформе сложного изделия: 1- пуансон,2-пуансон, 3-матрица,

4- нижний пуансон.

При прессовании кроме стальных прессформ - основного инструмента производства используют гидравлические универсальные или механические прессы. Для прессования сложных изделий ис-пользуют специальные многоплунжерные прессовые установки.

Давление прессования зависит в основном от требуемой плотности изделий, вида порошка и метода его производства. Давление прессования зависит в основном от требуемой плотности изделий, виде порошка и метода его производства. Давление прессования в этом случае может составлять (3...5) Gт пределов текучести материала порошка.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью-прессование называют гидростатическим. При гидростатическом прессовании порошок засыпают в резиновую оболочку и затем помещают ее после вакуумирования и гер-метизации в сосуд, в котором поднимают давление до требуемой величины. 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. Перед прессованием порошок подвергают виброуплотнению. Гидростатическим прессованием получки? цилиндры, трубы, шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами н необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

Прокатка порошков заключается в захвате и подаче в зазор под действием сил трения вращающихся валков порошка и сжатии порошка (рис.10). При этом получают равномерно спрессованное изделие больной длины с прочностью достаточной для транспорти-ровки на следующую операцию -

Рис. 10 Схема прокатки: а- компактного металла, б-д - порошка, в- вертикальная, г- горизонтальная

с гравитационной подачей порошка, д- горизонтальная с принудительной подачей порошка;

1- валки, 2-бункер, 3- порошек, H- ширина захвата, h- толщина ленты.

спекание. Прокатку проводят в вертикальной и горизонтальной плоскостях, периодически и непре-рывно.

Толщина и плотность заготовки зависят от химического и гранулометрического состава порошка, формы частиц, конструкции бункера, давления порожка на валки, состояния поверхности валков и скорости их вращения и других факторов.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси

порошка с пластификатором путем продавливания ее через отверс-

тие в матрице. В качестве пластификатора применяют парафин,

крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают

трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины. Схема

процесс представлена на рис. 11.

Рис.11 Схема мунштучного прессования.

При прессовании труб в обойме

1 с мундштуком 2 переменного сечения устанавливают иглу-стер-

жень 3, закрепляемую в звездочке 4. Над обоймой находится мат-

рица и, соединенная с обоймой гайкой 5. Из матрицы выдавливание

пластифицированной смеси производится пуансоном 7. Допустимое

должно быть более 90%; здесь F и f - площади поперечного се-

чения матрицы и изделия.

Обычно мундштучное прессование выполняют при подогреве ма-

териала изделия и в этом случае обычно не используют пластификатор; порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400...GOC*C, меди - 800...900*С, никеля - 1000...1200 С, стали - 1050...1250 *С. Для предупреждения окисления при горячей обработке применя-ют защитные среды (инертные газы, вакуум) или прессование в защитных оболочках (стеклянных, графитовых, металлических - мед-ных, латунных,медно-железной фольге). После прессования оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных спрессованнному металлу.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой. Шликер в этом случае - это однородная концентрированная взвесь порошка метал-ла в жидкости. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц I... 2 мкм (реже до 5...10 мкм) и жидкости - воды, спирта, четырех- хлористого водорода. Взвесь порошка однородна и устой-чива в течение длительного времени. Форму для ликерного литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка.Формирование изделия после заливки формы взвесью порош-ка заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости). Эти потоки возникают в результате впитывая жидкости в поры гипсовой формы под действием вакуума или центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаскалей. Вре-мя наращивания оболочки определяется ее толщиной и составляет 1...60 мин. После удаления изделия из формы его сушат при 110...150*С на воздухе, в сушильных шкафах.

Плотность изделия достигает 60%, связь частиц обусловлена механическим зацеплением.

Этим способом изготовляют трубы, сосуды и изделия сданной 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 электри-ческого разряда в жидкости, импульсное магнитное поле, сжатый газ, вибрация. В зависимости от источника энергии прессование называют взрывным, электрогидравлическим, электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное вы-деление тепла в контактных участках частичек, облегчающее процесс их деформирования и обеспечивающее большее уплотнение, чем при статическом (обычном) прессовании. Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в первые 3-30 с. Наиболее эффективно использование вибрации при прессовании порошков неп-ластичных и хрупких материалов. С применением виброуплотнения удается получить равноплотные изделия с отношением высоты к ди-аметру 4...5:1 и более.

Спекание.

Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепле-

ния и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-ме-ханические свойства спеченных изделий зависят от условий изго-товления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания н других факторов.

В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков расп-лавляются.

Твердофазное спекание. При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду.

Все металлы имеют кристаллическое строение и уже при комнатной температуре совершают значительные колебательные движения относительно положения равновесия. С повышением температуры энергия и амплитуда атомов увеличивается и при некотором их значение 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 р объеме тела (объемная диффузия). Движение атомов определяется занимаемым ими местом. Наименее подвижны атомы расположенные внутри контактных участков частичек порошка, наиболее подвижны атомы расположенные свободно - на выступах и вершинах частиц. Вследствие этого, т.е. большей подвижности атомов свободных участков и меньшей подвижности атомов контактных участков, обусловлен переход значительного количества атомов к контактным участкам. Поэтому происходит расширение контактных участков и округление пустот между частицами без изменения объема при поверхностной диффузии. 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. Обычно усадка в направлении прессования больше, чем в поперечном направлении. Движущей силой процессе усадки при спекании является стремление системы д уменьшению запаса поверхностной энергии, что возможно только при сокращении суммарной поверхности честны, порожке. Но этой причине порошки с развитий поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большие запасом поверхностной энергии.

При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки или в увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных напряжений после прессования, наличие невосстанавлива-ющихся окислов, фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при химических реакциях восстановления окислов газов. Рост объема спекаемых тел наблюдается при образовании закрытой пористости и объеме пор более 7% (когда расширение га-зов в закрытых порах вызывает увеличение объема). Пленки не-восстанавливающихся окислов тормозят процессы диффузии, препятствуя усадке. На рис. 12 приведена кривая изменения усадки во времени при заданной температуре.

Рис.12 Усадка спрессованного порошка железа при 890 С при различном давлении: 1-400 мн/м2,

2-600 мн/м2,3-800 мн/м2, 4000 мн/м2.

Рекристаллизация при спекании приводит к росту зерен и уменьшению суммарной поверхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен ограничен тормозящим влиянием посто-ронних включении на поверхностях зерен: порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную.

Перенос атомов через газовую среду. Это явление наблюдают при испарении вещества и конденсации его на поверхности других частиц, что происходит при определенной температуре. Такой перенос возникает из-за различной упругости паров вещества над этими поверхностями, обусловленный их различной кривизной у нескольких соприкасающихся частиц. Перенос вещества увеличивает мемчастичные связи и прочность сцепления частиц, способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.

Влияние некоторых технологических параметров на свойства спеченных тел. Свойства исходных порошков - величина частиц, их форма, состояние поверхности, тип окислов и степень совершенства кристаллического строения - определяют скорость изменения плотности и свойства спрессованных изделий. При одинаковой плотности спеченных изделий механические и электрические свойства тем выше, чем меньше были частицы порошка, шероховатость поверхности частиц и дефекты кристаллического строения способствуют усилению диффузии, увеличению плотности и прочности изде-лия. Структура изделии спеченных из токоизмельченных порошков отличается наличием большого числа крупных зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации при спекании. Увеличение давления прессования приводит к уменьшению усадки (объемной и ли-нейной), повышению всех показателей прочности - сопротивлению разрыву и сжатию, твердости. С повышением температуры плотность и прочность спеченных изделий в общем возрастает тем быстрее, чем ниже было давление прессования. Обычно температура спекания составляет 0,7...0,9 температуры плавления наиболее легкоплавкого материала, входящего в состав шихты (смеси порошков). Вы-держка при постоянной температуре вызывает сначала резкий, а затем более медленный рост плотности, прочности и других свойств спеченного изделия. Наибольшая прочность достигается за сравнительно короткое время и затем почти не увеличивается. Время выдержки для различных материалов длится от 30...45 минут до 2...3 часов. Атмосфера спекания влияет на показатели качест-ва. Плотность изделий выше при спекании в восстановительной, чем при спекании в нейтральной среде. Очень полно и быстро проходит спекание в вакууме, которое по сравнения со спеканием в нейтральной среде обычно начинается при более низких температу-рах и дает повышенную плотность изделия.

Температурный интервал спекания разделяют на три этапа. На первом этапе (температура до 0.2...0.3 Тпл) плотность почти не изменяется, здесь удаляются пластифицирующие присадки и адсор-бированные поверхностью частички газа, частично снимаются остаточные напряжения (1-го и частично 2-го рода), ослабляется физическое взаимодействие между частицами порошка. На втором этапе (температура около 0,5 Тпл) развиваются процессы восста-новления окислов и удаления газообразных продуктов. Плотность может несколько снижаться. Третий - высокотемпературный этап (температура около О,9 Тпл) этап интенсивного спекания, характеризуется значительным увеличением скоростей диффузионных процессов, рекристаллизации, развитием полностью металлических контактов, существенным увеличением плотности материала.

Горячее прессование это процесс одновременно прессования и спекания порошков при температуре 0.5...0.8 температуры плавления (Тпл) основного компонента шихты. Это позволяет использовать увеличение текучести шихты при повышенных температурах с целью получения малопористых изделий. В этом случае силы давления формования суммируются с внутренними физическими силами приводящими к уплотнению. Наиболее существенными результатами горячего прессования являются максимально быстрое уплотнение и получение изделия с минимальной пористостью при сравнительно малых давлениях. Механизм уплотнения идентичен наблюдаемому при обычном спекании: образование межчастичного контакта, рост плотности с одновременным увеличением размеров частиц и даль-нейший рост частиц при незначительном дополнительном уплотнении. Изделия после горячего прессования обладают более высоким пределом текучести, большим удлинением, повышенной твердостью, лучшей электропроводностью и более точными размерами, чем изде-лия полученные путем последовательного прессования порядка и спекания. Указанные свойства тем выше, чем больше давление прессования. Горячепрессованные изделия имеют мелкозернистую структуру.

Горячее прессование нагретого порошка или заготовки выполняют в прессформе. Нагрев осуществляют обычно электрическим током (рис. 13).

Рис. 13 Схема двухстороннего горячего прессования в прессформах: а- косвенный нагрев,

б- прямой нагрев при подводе тока к пуансону,в- прямой нагрев при подводе тока к

матрице, г- индукционный нагрев ТВЧ графитовой пресссформы; 1- нагреватель,

2- порошек,3- изделие, 4- матрица, 5 и 6 - пуансоны,7- изоляция, 8- графитовый контакт, 9- графитовый пуансон, 10- графитовая матрица, 11- керамическая прокладка, 12-

индуктор, 13- керамическая матрица.

До приложения давления к порошку прессформа с порошком или порошок могут быть нагреты и другим способом, ма-териалом для изготовления прессформ служат жаропрочные стали (при температурах до IOOO*C) графит, силицированный графит, имеющий повышенную механическую прочность. В настоящее время расширяется применение прессформ из тугоплавких окислов, сили-катов и других химических соединений. Для предупреждения взаимодействия прессуемого материала с материалом прессформы внут-реннюю поверхность ее покрывают каким- либо инертным составом (жидкое стекло, эмаль, нитрид бора * др.) или металлической фольгой. Кроме того, для предупреждения окисления прессуемого изделия применяют защитные среды (восстановительные или инерт-ные) или вакуумирование. Горячее прессование выполняют на специальных гидравлических прессах, имеющих устройства для регулирования температуры при прессовании.

Интенсификация процесса спекания достигается специальными приемами. Для этого используют химические и физические спо-собы активирования спекания. Химическое активирование заключается в изменении состава атмосферы спекания. Так например добавка в атмосферу спекания хлористых или фтористых соединений способствует активному соединению с ними выступов частичек, а образующиеся соединения снова восстанавливаются до металла, атомы которого конденсируются в местах с минимальным запасом свободной энергии.Оптимальной является 5...10% концентрация хлористого водорода в водородной восстановительной среде, интенсивное уплотнение спекаемой заготовки наблюдается при добавке в порошок изделия малого количества металла с меньшей темпе-ратурой плавления. Например, к вольфраму добавляют никель, к железу - золото и т.п. В настоящее время широко применяют физи-ческие способы активирования спекания: циклическое изменение температуры, воздействие вибраций или ультразвука, облучение прессовок, наложение сильного магнитного поля.

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

Дополнительные операции

Пропитка жидкими металлами. При изготовлении электрокон-тактных и некоторых конструкционных материалов широко применяют пропитку спрессованного и затем спеченного пористого каркаса из более тугоплавкого материала жидкой металлической составляющей композиции. При этом жидкий металл или сплав заполняет сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. Существует два варианта пропитки. По первому варианту на пористый каркас помещают пропитывающий металл в виде кусочка с объемом равным объему пор каркаса и нагревают в печи до температуры плавления пропитывающего материала При этом расплав впитывается порами тугоплавкого каркаса. По второму способу пористый каркас поме-щают в расплав пропитывающего металла или в зацепку из порошка пропитывающего металла. Впитывание протекает под действием ка-пиллярных сил. Скорость пропитки составляет десятые доли милли-метра в секунду и увеличивается с повышением температуры. Тем-пература пропитки обычно на 100...150*C превышает температуру плавления пропитывающего металла. Однако эта температура не должна превышать температуру плавления металла каркаса. Для улучшения смачиваемости к пропитывающему металлу добавляют различные присадки.

Дополнительные технологические операции используют для достижения чистоты поверхности и точности (механическая обра-ботка, калибровка), для получения физических и механических свойств - химико-термическая обработка и различные пропитки.

Механическая обработка имеет особенности, вызванные пористостью материала. Режущий инструмент испытывает микроудары, приводящие его к быстрому затуплению. Для обработки применяют твердые сплавы; для получения высокой чистоты поверхности применяют алмазный инструмент.

Пропитка изделий маслом (машинным или веретенным) при тем-пературе 110...120*С происходит в течение 1 часа, Масло заполняет поры изделий и в процессе работы поступает по капиллярам л поверхности трения. Это в ряде случаев позволяет избавиться от смазки изделий в процессе работы и улучшает условия трущейся пары.

Химико-термическая обработка позволяет улучшить механические свойства изделий, расширить область применения.

Н и т р о ц е м е н т а ц и я - увеличивает износостой-

кость деталей: корозионная стойкость увеличивается по сравнению

со спеченными в 6- 8 раз: износостойкость в 30 раз при содержа-

нии азота до 1%

Д иф ф у з и о н н о е х р о м и р о в а н и е - увеличи-вает износо- и коррозионную стойкость в несколько раз.

Г а л ь в а н и ч е с к и е п о к р ы т и я имеют особен-ность, вызванную наличием пор. Для предотвращения проникновения электролита в поры необходимо их заполнение. Этого достигают за счет тщательной шлифовки и полировки - образуется уплотненный наружный слой с малой пористостью.

К а л и б р о в а н и е применяют для получения размеров 6-11 квалитета точности и Ra=1.25-0.32 мкм. Калибруют как по одному (наружному или внутреннему диаметру), тек и по несколь-ким параметрам. Нужно иметь ввиду, что минимальный припуск не-обходимо брать в пределах 0,05-0,07 мм. Детали, имеющие в структуре цементит, необходимо перед калибровкой отжигать.

Литература

I.Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. М. Металлургия 1978 .184с.

2.Раковский B.C., Саклинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении. М.Машиностроение. 1973.126с.

Справочное пособие.

3.Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. М. Металлургия, 1975. 200с.

Вопросы для самоконтроля:

1. Cущнocть, пpeимущecтвa и ocoбeнocти изгoтoвлeния дeтaлeй из

пopoшкoв мeтaллoв.

2. Cпocoбы пoлучeния пopoшкoв мeтaллoв и иx cвoйcтвa.

3. Cпocoбы фopмoвaния в пopoшкoвoй мeтaллуpгии: тexнoлoгичec-

киe тpeбoвaния к кoнcтpукции дeтaли, пoкaзaтeли кaчecтвa пocлe

4. Mexaнизмы, ocoбeннocти пpoцecca cпeкaния в пopoшкoвoй мe-

тaллуpгии.

5. Bиды и нaзнaчeниe дoпoлнитeльнчx oпepaций в пopoшкoвoй мe-

тaллуpгии, пoкaзaтeли кaчecтвa.

Порошковая металлургия

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.

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.

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.

Производство изделий, которое осуществляет порошковая металлургия, возможно только на специализированном оборудовании. Их номенклатуру можно разделить на продукцию конструкционного, антифрикционного и специального назначения. Последняя производится из материалов, обладающих особыми свойствами. Изделия спецназначения невозможно изготовить альтернативными способами.

Порошковая металлургия предполагает производство изделий из металлических порошков. Такие детали удивительно точны и не требуют обработки в дальнейшем.

Вместе с тем сама технология производства не относится к сложным. В ее основе лежит старинный способ изготовления керамики, разница состоит лишь в используемом сырье. Благодаря тому, что данный способ является экономичным и простым, он быстро встал на одну ступень по конкуренции с ковкой, литьем, штампованием и другими методами изготовления металлических деталей.

Наряду с тем, что производство постоянно совершенствуется и развивается, осваиваются новые технологии и материалы, растет и ассортимент выпускаемой продукции, к которым относятся и изделия порошковой металлургии.

Если завод принимает заказ на изготовление новой детали, то он должен разработать чертеж будущего изделия на основе чертежей заказчика, чертеж оснастки и пресс-инструмента, сопутствующую документацию. В случае необходимости этот же завод выполняет исследовательские и экспериментальные функции, которые обеспечивают первичное освоение и испытание нового продукта. Также изготавливается дополнительная оснастка и пресс-инструмент.

Процесс изготовления деталей

Порошки бывают разными. Стоит отметить, что такая разновидность, как порошковая сталь, не является самой твердой. Определенные свойства придаются порошкам в зависимости от дальнейшего их использования. Сам процесс происходит в специальном аппарате или в которой кусочки металла, стружка, обрезки дробятся, а создаваемые воздушные потоки заставляют эти кусочки перетираться. Металлы, которые относятся к легкоплавким, разбрызгиваются в жидком виде, что осуществляется посредством который направляет брызги металла на двигающийся по кругу диск. Застывшие металлические капельки разбиваются на еще более мелкие частички. В итоге получаются порошки в электролизной ванне или при помощи химических реакций.

Затем порошок засыпается в пресс-форму из стали, а на него воздействуют большим давлением. Его частички соединяются между собой, и получается готовая деталь. Далее осуществляется спекание. В печах с высокой температурой нагреваются полученные элементы. Частицы как бы сливаются, и образуется достаточно плотная и однородная масса. Итак, изделие считается полностью готовым. Иногда два процесса соединяются вместе, это значительно экономит время. В этом случае порошок нагревается до нужной температуры током и прессуется в соответствующую форму.

Сфера применения изделий

Порошковая металлургия предоставляет широкие возможности для производства деталей для различных марок автомобилей. Данным методом изготавливаются:

детали трансмиссии и рулевого управления;
составляющие запорной фурнитуры;
золотники, роторы, корпусы насосов;
роторы для электродвигателей;
втулки, вкладыши, подшипники;
звездочки, шестерни, фланцы и многое другое.

Кроме этого, твердость порошковых деталей позволяет изготавливать из них режущие инструменты, жаростойкость позволяет использовать их в тормозной системе самолетов, сельскохозяйственной техники и автомобилей. Для того чтобы получить детали, отвечающие различным характеристикам, достаточно смешать порошки нескольких металлов. Такие детали используются в газовых турбинах,

Порошковая металлургия позволяет производить такие соединения металлов, которые невозможно получить, используя плавильные печи. Ее развитие обусловлено тем, что некоторые металлы невозможно обрабатывать стандартными способами. В настоящее время металлические порошки смешиваются даже с аналогами из пластмассы, стекла и минералов. Данный метод позволяет получать еще более разносторонние по своим свойствам изделия.

Это огромная уже сегодня и стремительно развивающаяся область металлургии.

Правда, в настоящее время всего лишь около 0,1 процента – тысячная часть от мирового производства металла – проходит стадию порошковой металлургии, но это еще не характеризует ее места в промышленности. Ведь каждый килограмм изделий методами порошковой металлургии эквивалентен нескольким килограммам металлических изделий, изготовленных резанием: в порошковой металлургии почти нет отходов, а при резании огромное количество металла идет в стружку. С другой стороны, один килограмм металлокерамических твердых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии, заменяет десятки килограммов высоколегированной инструментальной стали.

Порошковая металлургия применяется в тех случаях, когда никакими другими способами нельзя приготовить из соответствующих материалов изделие с требующимися высокими свойствами.

Как, например, изготовить из сверхтвердого вольфрама, да к тому же еще имеющего температуру плавления в 3400 градусов, тончайший волосок электрической лампочки? Ни обработки резанием, ни волочения, ни прокатки здесь не применишь.

Как приготовить сплав двух металлов, имеющих резко различные температуры плавления – например меди (она плавится при 1083 градусах) и того же вольфрама?

Как изготовить материал, содержащий наряду с металлическими и неметаллические включения, например частицы корунда или алмазной пыли?

Как изготовить металлический вкладыш подшипника таким, чтобы всю его толщу пронизывали поры и чтобы общее количество их было (в процентном отношении) строго соответствующим заданному?

Из каких сплавов будут созданы они, межзвездные корабли послезавтрашнего дня?!

Все эти технологические задачи позволяет решить порошковая металлургия. Но это еще не все. Порошковая металлургия может конкурировать по экономичности и с другими видами обработки металлов. Так, для изготовления обычным методом железной шестерни требуется затратить 30 часов труда квалифицированного рабочего. На изготовление такой шестерни методом порошковой металлургии требуется 10 часов труда малоквалифицированного труженика.

Методом порошковой металлургии можно получать изделия, столь точно выполненные, что они не потребуют никакой дополнительной обработки. Потери металла при порошковой металлургии крайне невелики, а чистота получаемых материалов может быть очень высокой.

Не надо, однако, считать, что порошковая металлургия способна заменить собой все другие виды обработки металлов. И у нее есть целый ряд существенных недостатков. Изготовленные этим методом изделия вследствие большой пористости обладают повышенной способностью к окислению, тем более что оно может происходить по всей толще металла. Они обладают низкими пластическими свойствами. Дорого стоят и пресс‑формы, в которых прессуются из металлического порошка изделия, поэтому порошковая металлургия рентабельна только в массовом производстве. Ограничены пока размеры и форма получаемых изделий.

Но самым главным недостатком порошковой металлургии является высокая стоимость порошков металлов – исходного сырья для изготовления изделий этим методом.

Много способов предложили, испробовали и применяют инженеры для получения металлических порошков требующейся тонины разлома.

Самый простой и распространенный – это размол в шаровых мельницах. Удары чугунных шаров дробят хрупкий металл, дуновение льющегося сквозь барабан мельницы воздуха уносит с собой наиболее мелкие частицы, сепаратор отделяет только те из них, которые достигли требующихся размеров, и возвращает более крупные на домол в мельницу. Во всяком случае в настоящее время инженеры знают целый ряд способов получения порошков из разнообразнейших материалов, разнообразнейшей тонины помола, с разнообразной формой частиц. Ибо и форма частиц играет роль в порошковой металлургии.

Но это отнюдь не значит, что найдены все самые лучшие и выгодные способы. Наоборот, по всей вероятности, самые лучшие и экономичные ждут своих открывателей.

Но вот требующиеся порошки получены. Их смешивают. Это тоже сложный процесс: ведь от равномерности смеси в значительной степени зависит качество будущего изделия. Затем смесь закладывают в форму и прессуют.

Возьмите в руки кусок металла. Это сплошное тело, в котором любая частица плотно соприкасается со всеми окружающими частицами. Существуют в технике вещества и другого состояния – так называемые коллоиды. Они представляют собой крохотные частицы величиной в сотые и тысячные доли микрона, взвешенные в какой‑либо жидкости. Частицы коллоида совсем не касаются друг друга. Порошки металлов представляют собой нечто среднее между этими двумя крайними состояниями вещества, расквалифицированного по сцепляемости, соприкасаемости частиц, ибо из общей их поверхности лишь незначительная часть находится в состоянии соприкосновения друг с другом.

Но эти участки контакта являются важнейшими в физической картине порошковой металлургии. Именно через эти участки проходит основной поток тепловой и электрической энергии, они испытывают максимальные напряжения при прессовании, в них проходит процесс спекания частиц в один сплошной монолит.

В процессе прессования частицы сближаются друг с другом, поверхность соприкосновения частиц растет, они переплетаются друг с другом своими выступами и неровностями. Но, конечно, из‑под холодного пресса выходит еще не готовое изделие. Прессование обеспечило только получение формы будущего изделия для его дальнейшей обработки. А она заключается в спекании.

Спекание производится при более низкой температуре, чем температура плавления главного компонента порошковой смеси, однако оно вызывает целый ряд существенных изменений физического состояния прессованного изделия. В смеси происходят сложные процессы диффузии атомов, сцепления частиц друг с другом, взаимного растворения веществ. В результате после охлаждения получается готовое изделие, обладающее заданными свойствами.

Конечно, это только общая технологическая линия производства изделий методом порошковой металлургии. В каждом конкретном случае, для каждой группы материалов существуют свои варианты этой технологии. Нередко прессование осуществляют одновременно с нагревом. Случается, что спекание приходится осуществлять в атмосфере инертных газов. Бывает, что прессование осуществляется всесторонним давлением сжатой жидкости, а не односторонним нажимом пуансона пресса. Можно встретить установки, в которых осуществляется и не прессование, а прокатка порошков. И так далее и так далее.

Мы, конечно, не исчерпали всех применений порошковой металлургии!

Порошковая металлургия тесно связана с электротехникой. Нити накала электрических ламп, радиоламп, рентгеновских трубок должны работать при температуре 2–3 тысячи градусов и иметь достаточную механическую прочность. Из вольфрама, молибдена и тантала методом порошковой металлургии и готовят эти детали.

Металлокерамические резцы, появившиеся в последние годы, произвели подлинную революцию в обработке металлов резанием. Еще бы, они позволили увеличить скорость резания в десятки раз! Проникнув в горное дело, они и там позволили значительно ускорить проходку скважин. А ведь в их состав входят карбиды – соединения с углеродом самых тугоплавких металлов. Так, карбид титана, обычный компонент таких резцов, плавится при температуре лишь в 3140 градусов, карбиды циркония и ниобия – при 3500 градусах, карбид тантала – при 3380 градусах. Конечно, только порошковая металлургия позволяет получить узкие, наплавляемые на державки резцов пластинки, в состав которых входят эти карбиды.

Твердые сплавы, изготовленные из порошков карбидов, позволили повысить скорость не только обработки металлов резанием. Из них делают штампы для прессов и фильеры для волочения стальной проволоки, сверла и резьбовые калибры и т. д.

И во всех этих случаях твердые сплавы с честью выдерживают испытание. Металлокерамический штамп для производства безопасных бритв выдерживает до 2 млрд. штамповок, когда обычный стальной штамп приходится менять после 15 млн. штамповок. Срок службы твердосплавных валков в 100 раз дольше, чем простых стальных. Стальная фильера до износа позволяет проволочить сквозь себя 80 кг железной проволоки, твердосплавная – до 50 тонн, в 600 раз больше!

Вот что такое твердые сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии. Материалом высоких скоростей можно было бы назвать их, ибо их применение очень часто связано с большими скоростями. А рост скоростей – одна из отличительнейших характерных черт сегодняшней техники.

Взять хотя бы двигатель современной скоростной авиации – реактивный двигатель. Его приход сразу позволил чуть ли не вдвое увеличить скорость полета самолета. Он позволил поднять и потолок самолета в те области атмосферы, где задыхался поршневой двигатель. А знаете ли вы, что реактивный двигатель не может развить и сейчас еще полной возможной мощности? Что в камеры сгорания его впускается больше, чем нужно, воздуха, а то и вбрызгивается вода, чтобы понизить температуру газов горения, хотя чем выше она, тем экономичнее работа двигателя? И делается это потому, что нет материалов, которые смогли бы продолжительное время работать в яростном потоке этих газов, имеющих температуру выше полутора‑двух тысяч градусов.

Да, современные литые металлические сплавы, включающие в себя добавки хрома, никеля, кобальта (мы говорили о них), не могут работать при температуре выше 850–900 градусов. При более высоких температурах следует применять тугоплавкие металлы, карбиды и нитриды их. И, конечно же, именно порошковая металлургия позволяет изготовить из них нужные детали аппаратуры.

Одним из наиболее перспективных таких материалов является карбид титана. Он хорошо противостоит тепловому удару – быстрому нагреву при пуске двигателя и быстрому охлаждению при его остановке. С добавкой 20 процентов кобальта при температуре около 900 градусов он почти вдвое превосходит по прочности лучшие жаропрочные металлические сплавы.

А сопло реактивного двигателя… Расширяющаяся труба, в которой раскаленные газы, все ускоряя свое движение, создают реактивную силу. Какие только усилия не прилагают конструкторы, чтобы понизить ее температуру! Ее охлаждают поступающим в камеру сгорания топливом, делают пористой и прокачивают сквозь эти поры часть топлива. Испаряясь на внутренней поверхности трубы, топливо охлаждает ее и создает у поверхности прослойку холодного газа.

Надо ли добавлять, что и такие пористые, способные «потеть» в жару трубы тоже можно изготовить только методом порошковой металлургии?

Этим же методом изготавливают удивительные пористые самосмазывающиеся подшипники. Поры в них заполняют маслом. Едва подшипник нагревается, масло, расширяясь, начинает выходить из пор и создавать смазывающую прослойку. При остывании масло впитывается назад, как вода в губку.

Методом порошковой металлургии готовят тончайшие фильтры и фрикционные накладки муфт сцепления, шестерни и кулачки, шайбы и сердечники электромагнитов, щетки динамомашин и электрические контакты точных приборов и так далее и так далее, ибо уже сегодня нельзя перечислить все, что делается этим методом, а завтра этот список удвоится и утроится…

Вот методами порошковой металлургии и можно изготовлять из блистательного бериллия, как и из многих других металлов, детали машин, аппаратов, приборов.

Как известно, пирамиды, в которых древние египтяне хоронили своих фараонов, были разграблены еще в древности. Были разграблены и скальные погребения египетских царей. И только случайно дошло до нашего времени потерянное еще в древности захоронение фараона Тутанхамона, жившего в XIV в. до н. э.

Много интересного нашли в его гробнице историки, когда в 1922 году впервые спустились по извилистым ходам, пробитым в скале, в посмертное жилище фараона. Видимо, Тутанхамон отличался особенной любовью к произведениям искусства – гробница была прямо нафарширована ими. И среди них были обнаружены кинжалы, украшенные порошковым золотом.

Вот, оказывается, где истоки порошковой металлургии!

Впрочем, не одни египтяне, а и древние обитатели Америки – инки умели получать изделия спеканием порошков драгоценных металлов. Но на многие столетия было забыто древнее искусство. Развитие металлургии пошло по другому пути.

Только в начале XIX века, когда впервые встал вопрос о методе изготовления предметов из тугоплавких металлов, вновь ненадолго воскресло забытое мастерство. Воскресил его выдающийся русский металлург Петр Григорьевич Соболевский.

Он применил метод порошковой металлургии для изготовления монет и медалей из платины. Расплавить ее было в те годы практически невозможно: ведь для этого нужна температура в 1773 градуса. Соболевский закладывал в форму очищенную губчатую платину, полученную химической обработкой природных минералов, подвергал ее прессованию, затем нагреванию и еще раз прессованию. Получились плотные металлические изделия. Это было в 1826 году.

Несколько десятков лет пользовались и у нас в стране и за рубежом методом русского металлурга. Затем платину научились плавить. И снова на много десятилетий умерла порошковая металлургия.

Она возродилась на рубеже XX века и теперь уже не сдаст завоеванных позиций. Даже наоборот: она будет захватывать все новые области применения.

В настоящее время интенсивно развивается порошковая металлургия. Процессы изготовления легко автоматизировать и роботизировать высвободив при этом большое количество людей для выполнения других работ. Для получения изделий из порошков не нужны специалисты высокой квалификации, технологические процессы не загрязняют окружающей среды.

Экономия металлов

Сейчас, когда запасы многих полезных ископаемых сокращаются, особенно остро стоит вопрос экономии металлов . Изготовление деталей обычными методами - литьем с последующей обработкой резанием нередко приводит к тому, что 50-80% металла уходит стружку. Такое расточительство, безусловно, недопустимо. При изготовлении изделий заданной формы из порошков зачастую удается вообще избежать последующей механической обработки, а если она нужна, то очень незначительная - обычно это тонкое точение или шлифовка, при которых стружку идет 5-10% металла.

Сырье для получения металлических порошков

Исходным сырьем для получения металлических порошков могут быть использованы отходы металлургического производства, например, окалина, горы которой образуются при нагреве металлов под прокатку и ковку. Порошки могут получать также прямым восстановлением руды, минуя стадию выплавки чугуна, что энергетически выгодно. Кстати, еще в 1899 году Д. И. Менделеев со свойственной ему прозорливостью писал:

Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун.

Слово «опять» он употребил потому, что получать железо прямо из руды умели еще в глубокой древности, но впоследствии были разработаны более производительные процессы, включающие выплавку чугуна и стали. Спираль технического прогресса продолжала раскручиваться, и хорошо забытое старое в новых условиях оказалось прогрессивнее того, что казалось незыблемым. Сегодня пророческое предвидение Д. И. Менделеева сбывается: в промышленности все активнее применяются методы прямого восстановления железа из руды, и одним из продуктов этого процесса является железный порошок. Все это очень удобно и важно для современного производства и способствует .

Создание композитных материалов

Кроме того можно создавать композитные материалы , которые очень нужны современной технике и которые невозможно изготовить никакими другими методами. В уникальности создаваемых материалов - главное преимущество порошковой металлургии перед традиционными металлургическими методами. Если мерить привычными мерками, например, тоннами, то выпуск изделий из порошка невелик. Суммарная масса порошковых материалов, выпускаемых промышленностью, составляет доли процента от массы чугуна, стали, цветных металлов, получаемых обычными металлургическими методами. Но зато какие это материалы! Имея порошки различных веществ, можно создавать огромное количество композитов . Именно композитов, а не сплавов , как при выплавке в металлургических печах. Есть материалы, которые невозможно сплавить друг с другом титан с магнием, никель с серебром или свинцом, вольфрам с медью или серебром и др. Они не образуют между собой растворов, поэтому сплавов из этих материалов изговить нельзя. А вот композиты из порошков - можно. Для этого достаточно их просто смешать, спрессовать и спечь. Можно подвергнуть горячему прессованию, экструзии, прокатке. Можно сначала спечь из более тугоплавкого металла пористый каркас и пропитать его более легкоплавким металлом. Композиты можно создавать очень интересные. Вот некоторые из них.

Композиционные материалы для подшипников скольжения

Из смеси порошков железа и графита изготавливают антифрикционные композиционные материалы для подшипников скольжения. Железо служит несущей основой подшипника, а графит, обладая низким коэффициентом трения, выполняет роль твердой смазки. Если такой материал сделать пористым (а для порошковой металлургии это совсем просто), можно поры пропитать маслом, которое образует с графитом высококачественный смазочный препарат, и работа материала в подшипниках будет характеризоваться еще более низким коэффициентом трения и более высокой износостойкостью . Дополнительно улучшить свойства железографитовых подшипников можно, введя в их состав добавки порошков меди . Материалы аналогичного назначения и строения могут быть созданы из порошков бронзы и графита (бронзографиты). В качестве твердой смазки можно использовать не только графит, но и нитрид бора, дисульфид и диселенид молибдена и много других соединений. Их тоже добавляют к порошкам различных металлов и получают отличные материалы для узлов трения. Эти материалы не требуют дополнительной смазки, они сами себя смазывают. Их так и называют - самосмазывающиеся . Понятно, что вместо железа и меди в качестве основы могут использоваться другие металлы - алюминий, никель, титан . А можно как основу применить и порошки тугоплавких соединений - боридов, карбидов, нитридов, смешав их с твердыми смазками - такие материалы будут работать при высоких температурах, в вакууме, в агрессивных средах. Можно сочетать многие вещества, регулируя тем самым свойства антифрикционных композитов. Литейными методами таких материалов не изготовить - они позволяют получать сплавы, а для работы этих материалов необходима именно структура композитов. Чтобы твердые смазки могли выполнять свои функции, они не должны растворяться в основе. При литье этого растворения избежать нельзя. А используя порошковую технологию - можно.

Металлополимерные композиты

Металлополимерные композиты обладают свойствами исходных материалов. Прекрасный материал для подшипников скольжения - фторопласт , у него очень низкий коэффициент трения, но он не выдерживает больших нагрузок, поэтому в чистом виде применяется крайне редко. Но если получить материал из смеси порошков фторопласта и металла , прочность такого материала резко возрастает. Еще большей несущей способности можно достичь, если спеченный пористый металлический каркас (например, бронзовый) пропитать водной суспензией фторопласта. Такие композиты будут обладать и высокой прочностью, и низким коэффициентом трения. Для изготовления изделий из таких материалов, порошковая металлургия незаменима. Если от антифрикционных материалов требуется низкий коэффициент трения , то от фрикционных - высокий . Изделия из этих материалов используют в тормозных устройствах. И здесь современная техника не может обойтись без порошковой технологии. Ведь так же, как антифрикционные добавки, в состав порошковых смесей вводят вещества, повышающие коэффициент трения. Спеченные фрикционные материалы обычно включают металлические и неметаллические порошки, при этом металлические составляющие придают композиту теплопроводность и прочность (бронза, латунь, медь, никель, железо), предохраняют от износа и улучшают прирабатываемость (свинец, олово, сурьма), а неметаллические повышают коэффициент трения (асбест, кварцевый песок, карбиды, оксиды и др.) и уменьшают склонность к заеданию (графит, сульфиды, нитрид бора, сернокислые соли бария и железа и др.). Эти материалы являются примером сложных порошковых композитов, в которых, благодаря направленному подбору составляющих, удается получать свойства, недостижимые традиционными методами.

Твердые сплавы

А вот еще один пример изделий порошковой металлургии - твердые сплавы . Это представители керамико-металлических материалов (керметов). Их получают из порошков карбидов (вольфрама, титана, тантала, хрома) и металлов (кобальта, никеля, молибдена). Такое сочетание обеспечивает изделию высокую твердость и износостойкость, присущие карбидам, а также вязкость и стойкость к термическим ударам, вносимые металлом, выполняющим роль связки между карбидными частицами. Это режущие инструменты, фильеры для волочения проволоки, пресс-формы и т. п. Ни один современный завод не может обойтись без инструментов из твердых сплавов. В последние годы создаются керметы на основе боридов, оксидов и других тугоплавких соединений, которые используют в качестве теплостойких и окалиностойких материалов. Например, для получения режущего инструмента порошок Аl 2 О 3 смешивают с 2-10% порошка молибдена или хрома, смесь прессуют, спекают и получают композит, вязкость которого выше, а хрупкость меньше, чем у резцов из чистого оксида алюминия. Ни один прибор, агрегат, аппарат, работающий на электрическом токе или передающий его, не может обойтись без таких изделий, как электрические контакты.

Изделия из электроконтактных материалов

В природе нет готовых материалов или сплавов, которые по своим свойствам могли бы полностью соответствовать требованиям, предъявляемым к изделиям из электроконтактных материалов . Это высокая эрозионная стойкость при воздействии электрической дуги, низкое электросопротивление на поверхности и в объеме, высокая электропроводность , хорошая сопротивляемость к свариванию при замыкании и размыкании контактов, стойкость против коррозии в агрессивных средах и при повышенных температурах, высокая прочность и пластичность , хорошая обрабатываемость резанием и давлением и т. д.

Такие хорошие электро- и теплопроводники, как медь, серебро, золото , подвержены сильной эрозии при возникновении электрической дуги, склонны к привариванию. Тугоплавкие и жаропрочные металлы (вольфрам, молибден, тантал, никель) лишены этих недостатков, но у них малы электро- и теплопроводность , велико контактное сопротивление , что тоже не позволяет применять их в чистом виде. А вот создавая композиции из порошков, можно получать материалы, которые удовлетворяют столь противоречивым требованиям. Это композиты медь - вольфрам, серебро - вольфрам, серебро - никель, железо - медь, серебро - оксид кадмия и другие, которые уже много лет используются для изготовления электроконтактов самого различного назначения. Для изделий в электро- и радиотехнических устройствах таких, как сердечники катушек индуктивности и высокочастотных трансформаторов, ленты звукозаписи используются магнитодиэлектрики, представляющие собой сочетание ферромагнитных порошков с вяжущими веществами - изоляторами (например, порошки железа, ферритов или других ферромагнетиков в сочетании с жидким стеклом, бакелитом или другим полимером). Порошковым композитом является ядерное горючее, состоящее из частиц расщепляющегося материала (урана, плутония, их сплавов или соединений), равномерно распределенных в объеме матрицы из алюминия, бериллия, магния, циркония, керамики и других, которая должна противостоять облучению и сохранять прочность необходимую для работы тепловыделяющих элементов атомных реакторов. Порошковая металлургия, открывает широкие перспективы для изучения свойств порошках металлов, полимеров, тугоплавких соединений и получения из них изделий, с заданными характеристиками.