Из металлов и различных сплавов могут производиться порошковые составы. Они могут применяться самым различным образом для защиты заготовок и деталей. Порошковая металлургия – активно развивающаяся область, которая имеет огромное количество особенностей. Это направление металлургии появилось более ста лет назад.

Получение порошков

Для производства порошка могут применяться самые различные технологии, но их объединяют следующие моменты:

1. Экономичность. В качестве сырья могут использоваться отходы металлургической промышленности. Примером назовем окалину, которая сегодня нигде не применяется. Кроме этого, могут применять и другие отходы.
2. Высокая точность геометрических форм. Изделия, получаемые при применении рассматриваемой технологии порошковой металлургии, обладают точными геометрическими формами, последующая механическая обработка не требуется. Этот момент определяет относительно небольшое количество отходов.
3. Высокая износостойкость поверхности. За счет мелкозернистой структуры получаемые изделия обладают повышенной твердостью и прочностью.
4. Невысокая сложность технологий порошковой металлургии.

Рассматривая наиболее распространенные технологии порошковой металлургии отметим, что они делятся на две основные группы:

1. Физико-механические методы заключаются в измельчении сырья, за счет чего размер частиц становится небольшим. Подобного рода процессы производства характеризуются комбинированием различной нагрузки, которая оказывает воздействие на сырье.
2. Химико-металлургические методы используются для изменения фазового состояния применяемого сырья. Примером подобного производства можно назвать восстановление солей и окислов, а также других соединений металлов.

Кроме этого, выделим следующие особенности производства порошка:

1. Шаровой способ предусматривает переработку металлических обрезков в шаровой мельнице. За счет тщательного дробления получается мелкозернистый порошок.
2. Вихревой способ заключается в применении специальной мельницы, которая создает сильный воздушный поток. Столкновение крупных частиц становится причиной получения мелкого порошка.
3. Применение дробилок. Нагрузка, которая создается при падении груза большой массы, приводит к измельчению материала. Ударная нагрузка воздействует с определенной периодичностью, за счет чего и происходит дробление состава.
4. Распыление сырья в жидком виде под воздействием сжатого воздуха. После получения хрупкого состава, металл пропускается через специальное оборудование, которое перемалывает его для получения порошка.
5. Электролиз – процесс восстановления металла из жидкого состава под воздействием электрического тока. За счет повышения показателя хрупкости сырье может быстро перемалываться в специальных дробилках. Данный метод обработки позволяет получить зерно дендритной формы.

Некоторые из приведенных выше технологий порошковой металлургии получили большое распространение в промышленности по причине высокой производительности и эффективности, другие сегодня практически не применяются из-за повышения стоимости получаемого сырья.

Компактирование

Порошковая металлургия также предусматривает проведение процедуры, которая основана на получении полуфабрикатов в виде прутков и лент. После прессования можно получить практически готовое к применению изделие.

К особенностям процесса компактирования можно отнести нижеприведенные моменты:

1. В качестве сырья при проведении рассматриваемого процесса применяется сыпучее вещество.
2. После прохождения компактирования сыпучий порошок становится компактным материалом с пористой структурой. Прочность получаемого изделия приобретается в ходе проведения других процессов обработки.

Рассматривая процесс прессования порошка, отметим применение следующих технологий:

1. прокатывание;
2. шликерное литье;
3. изостатическое прессование за счет оказания давления газом или жидкостью;
4. прессование с одной или обеих сторон при применении специальных металлических матриц;
5. инжекционный метод.

Для того чтобы ускорить процесс компактирования, изделия порошок подвергается воздействию высокой температуры. В большинстве случаев расстояние между отдельными частицами уменьшается за счет воздействия высокого давления. Большой прочностью обладают порошки, изготавливаемые из мягких металлов.

Спекание

Финальный этап в порошковой металлургии заключается в воздействии высокой температуры. Практически любой метод порошковой металлургии предусматривает воздействие высокой температуры. Проводится спекание для достижения следующих целей:

1. для повышения плотности изделия;
2. для придания определенных физико-механических качеств.

Для термического воздействия проводится установка специального оборудования. Защитная среда, как правило, представлена инертными газами, к примеру, водородом. Процесс спекания может проводится и в вакууме для повышения эффективности применяемой технологии.

Индукционный метод нагрева также пользуется большой популярностью. Он предусматривает использование индукционных печей, которые производят или изготавливают своими руками. В продаже встречается оборудование, способное объединять несколько технологических процессов: спекание и прессование.

Применение продуктов порошковой металлургии

Порошковую металлургию применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и многих других отраслях промышленности. Это связано с тем, что применяемая технология производства позволяет получать детали сложной формы. Кроме этого, современные технологии порошковой металлургии позволяют получить детали, обладающие:

1. Высокой прочностью. Плотная структура определяет повышенную прочность.
2. Долговечностью. Получаемые изделия могут прослужить в тяжелых условиях эксплуатации на протяжении длительного периода.
3. Износостойкостью. Если нужно получить поверхность, которая не истирается под механическим воздействием, то нужно рассмотреть технологию порошковой формовки.
4. Пластичностью. Можно также получить заготовки повышенной пластичности.

Также распространение этой технологии можно связать с низкой себестоимостью получаемых изделий.

Достоинства и недостатки
Метод получения изделий из порошков получил достаточно широкое распространение по причине большого количества достоинств:

1. низкая стоимость получаемых изделий;
2. возможность производства крупных деталей со сложными поверхностями;
3. высокие физико-механические качества.

Металлургический порошковый метод характеризуется и несколькими недостатками:

1. Получаемая структура обладает относительно невысокой прочностью.
2. Структура характеризуется меньшей плотностью.
3. Рассматриваемые технологии предусматривают применение специализированного оборудования.
4. При нарушении технологии производства детали имеют низкое качество.

Сегодня порошковая металлургия активно применяется в самых различных отраслях промышленности. Кроме этого, ведутся разработки, которые направлены на улучшение качества получаемых изделий.

В заключение отметим, что при соединении мелких частиц различных металлов и сплавов получаются материалы с особыми эксплуатационными качествами.

Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров.
Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются

· возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;

· значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);

· возможность получения материалов максимальной чистоты;

· простота технологии порошковой металлургии.

Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

Пористые порошковые материалы.

Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом.
Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне.
Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа.
При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников – 0,04…0,06.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %).

Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений боридов, карбидов и др., содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора.
Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500 o С.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы:
спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом.
Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия.
Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.

Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200 o С, а материал в объеме – до 500…600 o С.
Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа.
Коэффициент трения при работе в масле – 0,08…0,15, при сухом трении – до 0,7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:
а) основа – медь и ее сплавы – для рабочих температур 500…600 o С, железо, никель и сплавы на их основе – для работы при сухом трении и температурах 1000…1200 o С;
б) твердые смазки – предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;
в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

Примерный состав сплава: медь – 60…70 %, олово – 7 %, свинец – 5 %, цинк – 5…10%, железо – 5…10 %, кремнезем или карбид кремния – 2…3 %, графит – 1…2 %.

Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.).

Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.
Они могут работать при температурах от –273 o С до 900 o С, быть коррозионностойкими и жаропрочными - можно очищать горячие газы.
Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.

Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов:
бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др.
Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений.
Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.

Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит.
Размеры колеблются от дисков диаметром 1,5 мм до плит размерами 450 х 1000 мм.
Наиболее эффективно применение фильтров из нескольких слоев с различной пористостью и диаметром пор.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Порошковая металлургия - научно-техническая отрасль, объединяющая в себе разноплановые методы производства порошков на основе металлов и их сплавов, соединений металлообразного типа, готовых продуктов и полуфабрикатов из них, а также миксов из них с порошками неметаллической природы без применения технологии плавления применительно к базовым компонентам.

Человечество издавна занимается производством разнообразных металлических порошков и крицы за счет восстановления металлооксидов при помощи . К примеру, еще за три тысячи лет до Рождества Христова порошковое золото активно использовалось для декорирования всевозможных поверхностей. Мастера Древнего Египта и Вавилона задействовали некоторые приемы порошковой металлургии при изготовлении орудий из железа.

Начало современному периоду развития данной отрасли положил отечественный ученый Соболевский П.Г., который в сотрудничестве с Любарским В.В. в двадцатых годах девятнадцатого века разработал особый метод производства разнообразных изделий, используя платиновый порошок. После этого началось ускоренное развитие металлургии на основе порошков, поскольку она давала возможность создавать изделия с по-настоящему эксклюзивными свойствами, добиться которых иными способами было нельзя. Например, к этому числу можно отнести пористые подшипники или приспособления для фильтрации. Также стали появляться материалы, структура которых задается и материалы, в составе которых присутствуют металлы с оксидами, металлы с полимерами и т.д.

В порошковой металлургии весь объем выполняемых технологических операций можно разделить на следующие группы:

Получение базовых металлических порошков и их смешивание, в результате чего формируется ;
спрессовывание порошков или сделанных из них смесей, формирование заготовок;
спекание.

Получение

Применяемые в данной отрасли металлургии порошки включают в себя частицы, размер которых может колебаться в пределах от 1/100 до 500 мкм. Для их получения прибегают к механическим и физико-химическим методам. В первую категорию включают измельчение пребывающих в твердом состоянии металлов или металлоподобных соединений, а также диспергирование находящихся в жидком состоянии металлов и сплавов. Для дробления твердых материалов задействуют мельницы, оснащенные мелющими телами, вращающимися частями или функционирующими по ударному принципу. Характер исходного материала определяет форму получаемых путем дробления частиц: если он хрупкий, то частицы получаются осколочного вида, если пластичный – чешуйчатого. Пластическая деформация, которая характерна для раздробленных порошков, приводит к переформатированию присущих им свойств и структурному видоизменению.

Распыление (называемое также диспергированием) металлов и сплавов жидкой консистенции производят посредством струи жидкости или газа с применением форсунок различных форм. На свойства распыленных порошковидных веществ оказывает воздействие целый ряд факторов, включая поверхностное натяжение расплавленной массы, скорости, с которой осуществляется распыление, нюансов геометрии форсунок и прочего.

Распыление с применением воды нередко реализуется в азотной или аргонной среде. Таким способом происходит получение железных, никелевых и иных порошков. Если расплавленная масса распыляется за счет находящегося под значительным давлением газа, то частицы конечного продукта будут иметь различный размер в зависимости от показателей давления, поперечного сечения исходящей струи металла, нюансов строения форсунки, природных свойств сплава.

В роли газа для распыления может выступать как просто воздух, так и азот или аргон, а также водяной пар. Существуют и другие методы для распыления металла, в частности, плазменный, а также способ разбрызгивания металлической струи в воду. Задействуются данные способы в первую очередь при изготовлении , серебряных, оловянных и алюминиевых порошков.

В разряд методов физико-химической природы, задействуемых при получении металлических порошков, входит восстановление металлооксидов посредством воздействия на них углерода, водорода или газов с содержанием углеводородов. Существуют также металлотермические методы: восстановление оксидов, галогенидов и иных металлических соединений за счет воздействия на них другими металлами; расщепление карбонилов металлов и соединений металлоорганической природы; электролиз солевых расплавов и растворов на воде. Для получения порошков металлоподобных соединений, помимо вышеуказанных методов, прибегают к их синтезу из простых веществ.

Спрессовывание (компактирование)

Данная операция необходима для получения полуфабрикатов в виде прутков, труб, лент или отдельных заготовок, форма которых приближена к финальным изделиям. После прохождения через процедуру компактирования, сыпучий порошок преобразуется в компактный материал пористой структуры, прочность которого позволяет ему сохранять приданную форму в ходе дальнейших операций.

Базовыми методами спрессовывания являются:

Прессование с одной или двух сторон в специальных металлических матрицах;
изостатическое прессование за счет давления газа или жидкости;
прессование мундштучного типа;
прокатка;
шликерное литье;
прессование с высокой скоростью, включая взрывное;
инжекционное формирование.

Возможен вариант осуществления компактирования как при комнатной температуре, так и в условиях высокотемпературной среды.

При прессовании порошок уплотняется за счет того, что его частицы смещаются по отношению друг к другу и впоследствии деформируются либо разрушаются. Применение достаточно большого давления при работе с порошками пластичных металлов позволяет добиваться уплотнения главным образом за счет пластической деформации, а при работе с хрупкими металлами и их соединениями – за счет разрушения и дробления частиц. Более высокой прочностью отличаются порошки, получаемые их пластичных металлов, а для придания необходимых прочностных характеристик порошкам из хрупких металлов дополнительно используют специальные связующие жидкие компоненты.

В массовом производстве наиболее востребовано прессование порошков в жестких матрицах (прессформах) из металла, для чего используются таблетировочные, ротационные и иные пресс-автоматы с механическим или гидравлическим принципом действия.

Компактирование прокаткой подразумевает формирование заготовок в непрерывном режиме в прокатных станах, оснащенных валками. В валки порошок ссыпается сам либо подается принудительным способом. Прокатка позволяет получать листы, профили и ленты пористой структуры.

Технология изостатического прессования предполагает помещение порошка или пористых заготовок в специальную оболочку с последующим ее , после чего материал сжимается со всех сторон. В завершение производят декомпрессию оболочки. Изостатическое прессование, в зависимости от типа используемой рабочей среды, подразделяется на гидро- и газостатическое. Первый вариант в большинстве случаев осуществляется в условиях комнатной температуры, тогда как для второго необходимы высокие температуры. За счет изостатического прессования удается получать изделия, отличающиеся сложной формой, и имеющие предельно однородную плотность по всему объему.

Мундштучное прессование получило свое название в связи с тем, что при данном способе порошок, смешанный с пластификатором, продавливается сквозь отверстие в мундштуке. Причем в данном случае в качестве основы, вполне могут использоваться сложнопрессуемые порошки, произведенные из хрупких металлов. Результатом подобной обработки становится получение длинных заготовок, имеющих однородный состав и равномерную плотность.

Шликерное литье – метод порошковой металлургии, подразумевающий изготовление изделий из так называемых шликеров – однородных концентрированных порошковых суспензий, которым присуща высокая агрегативная и седиментационная устойчивость, хорошая текучесть.

Различают следующие виды шликерного :

Литье в формы пористой структуры, при котором частицы порошка увлекаются жидкостью в поры, где затем и оседают;
горячее литье, предполагающее нагревание смеси из порошка с твердым связующим веществом до температуры, при которой данное вещество приобретает вязкую консистенцию. В таком состоянии данная смесь заливается в формы, после чего охлаждается до затвердевания;
формирование электрофоретическим методом, при котором происходит формирование изделия за счет постепенного наращивания слоя из шликерных частиц, которые изменяют свое местоположение под влиянием электрического поля, смещаясь к форме-электроду и там осаждаясь.

Суть высокоскоростного прессования заключается в деформации порошка с высокой скоростью. Может быть взрывным, магнитно-импульсным, гидродинамическим и т.д.

Спекание

Финальной операцией изготовления изделий методом порошковой металлургии является спекание. Оно подразумевает заготовок в условиях, когда температура не достигает значения, необходимого для плавления, по крайней мере, одного из компонентов.

Данная процедура необходима для того, чтобы повысить плотность изделия и придать ему определенные механические и физико-химические свойства. Вначале спекания частицы проскальзывают друг по отношению к другу, между ними формируются контакты, центры частиц сближаются. В этот момент частицы еще обладают индивидуальностью, но плотность увеличивается максимально быстро. После этого тело одновременно пребывает в фазе вещества и фазе пустоты, а заканчивается все уплотнением за счет минимизации количества и размеров пор.

Для спекания в большинстве случаев используют защитную среду, представленную обычно инертными газами, восстановительную, в роли которой выступает водород или углеводородсодержащие газы, либо вакуум. Нагреваются изделия в электрических или индукционных печах либо за счет прямого пропускания тока.

Существует возможность совмещения в одном процессе спекания с прессованием: спекание, осуществляемое под давлением, горячее прессование.

Материалы и изделия

Технологии, задействуемые в порошковой металлургии, обеспечивают возможность изготовления специфических материалов, причисляемых к категории порошковых. Их классификация производится в зависимости от присущих им свойств, качеств и характеристик.

Материалы порошкового типа из разряда конструкционных служат для производства всевозможных деталей для приборов и машин с разноплановыми механизмами. Они обладают повышенной механической прочностью, и они достаточно экономичны.
Использование порошковых материалов для выпуска фильтров обусловлено тем фактом, что их можно наделить улучшенными по сравнению с иными пористыми материалами свойствами. В частности, для них характерна высокая очистительная способность при сохранении достаточной проницаемости, устойчивость к воздействию высоких температур, превосходная прочность, отличная теплопроводность, малоподверженность износу по абразивному типу.

Благодаря методам, которые задействуются в порошковой металлургии, могут быть получены фильтровальные изделия, имеющие изменяемую или регулируемую пористость, уровень проницаемости, а также степень очищения. Фильтры вместе с подшипниками пористой структуры входят в перечень основных видов пористых изделий, производимых из порошкообразных материалов.

Триботехнические материалы бывают антифрикционными и фрикционными. Первые характеризуются наличием твердой матрицы, внутри которой находится мягкотелый наполнитель. Методы порошковой металлургии обеспечивают возможность получения антифрикционных изделий, имеющих низкий и стабильный коэффициент трения, отличающихся качественной прирабатываемостью, незначительно изнашивающихся, сопротивляющихся схватыванию. Такие изделия относятся к категории самосмазывающихся, поскольку смазка помещается в их поры.

Антифрикционные материалы пригодны для производства разноплановых объемных элементов, го также отлично справляются с функцией покрытий, нанесенных на подложки. Одним из наиболее ярких примеров продуктов, изготовленных из материалов данного класса, являются подшипники скольжения.

Фрикционные материалы порошкового типа находят применение в узлах, служащих для передачи кинетической энергии. Для данных материалов характерна высокая износоустойчивость, отличные прочностные характеристики, они хорошо проводят тепло и их несложно приработать. Как правило, в состав подобных материалов включаются компоненты металлической и неметаллической природы. Первые придают готовым изделиям высокую теплопроводность и прирабатываемость, тогда как вторые необходимы для повышения коэффициента трения и минимизации вероятности заедания.

Твердосплавные порошковые изделия имеют в своем составе тугоплавкие карбиды, соединенные с пластичными связующими металлической природы. Они изготавливаются за счет прессования порошковых смесей и жидкофазного запекания. Твердосплавные материалы, характеризующиеся высокими прочностными свойствами, отличающиеся твердостью и слабой изнашиваемостью, могут быть вольфрамосодержащими и безвольфрамовыми. Эти сплавы служат основой для производства инструментов, применяемых при резке металла, штамповке, воздействия давлением, бурения горных пород.

Для улучшения свойства таких инструментов нередко дополнительно на их поверхность наносят покрытии из тугоплавких соединений.

Категория электротехнических материалов порошкового типа подразделяется на несколько групп: контактные, электропроводящие, магнитные и прочие. Контактные материалы позволяют создавать такие контакты, которые способны переносить до нескольких миллионов замыканий и размыканий электроцепей. Также существуют варианты контактов скользящего типа, которые задействуются при изготовлении электродвигателей, генераторов, потенциометров, токосъемников и прочих устройств.

В основе высокотемпературных материалов, получаемых методами порошковой металлургии, лежат сплавы из тугоплавких металлов (

Порошковая металлургия

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

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

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

Основные преимущества использования порошковой металлургии:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Условно различают два способа изготовления металлических порошков:

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

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

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

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

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

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

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

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

МеА+Х=Ме+ХА±Q;

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

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

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

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

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

– получение карбонила из исходного соединения

MeаXb+cCO=bX+Mea(CO)c,

– образование металлического порошка

Меа(СО)с= аМе+сСО.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список использованной литературы

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