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 -- технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков, смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.
Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.
История и возможности
Порошковая металлургия существовала в Египте в III веке до н. э. Древние инки из драгоценных металлических порошков делали украшения и другие артефакты. Массовое производство изделий порошковой металлургии начинается с середины 19-го века.
Порошковая металлургия развивалась и позволила получить новые материалы -- псевдосплавы из несплавляемых литьём компонентов с управляемыми характеристиками: механическими, магнитными, и др.
Изделия порошковой металлургии сегодня используется в широком спектре отраслей, от автомобильной и аэрокосмической промышленности до электроинструментов и бытовой техники. Технология продолжает развиваться
Получение металлических порошков
Существует несколько способов получения металлических порошков. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:
Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.
металлический титановый фильтр
Рис. 1
Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом имели в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства -- возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.
Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.
Восстановление оксидов и солей является одним из наиболее распространенных и экономичных способов, особенно когда в качестве исходного материала используют руды, отходы металлургического производства (окалина) и другие дешевые виды сырья. Восстановлением в техническом смысле этого слова, называют процесс получения металла из его химического соединения путем отнятия неметаллической составляющей (кислород, солевой остаток) при помощи вещества, называемого восстановителем. Процесс восстановления является одновременно и процессом окисления. Если исходное химическое соединение (оксид, соль) теряет неметаллическую составляющую или восстанавливается, то восстановитель вступает с ней во взаимодействие или окисляется.
В общем случае реакцию восстановления можно записать в виде
МеБ + Х - Ме + ХБ,
Где Ме - любой металл, порошок которого нужно получить;
Б - неметаллическая составляющая (кислород, солевой остаток и др.)восстанавливаемого исходного химического соединения;
Х - восстановитель;
ХБ - химическое соединение восстановителя.
Стрелки означают, что в ходе реакции возможно повторное образование исходного соединения (МеБ) в результате взаимодействия полученного металла (Ме) и соединения восстановителя (ХБ). Для оценки возможности протекания реакции восстановления необходимо сопоставить величины, характеризующие прочность химических связей в соединении металла (МеБ) и образующимся соединении восстановителя (ХБ). Количественной мерой указанных величин служит величина свободной энергии, высвобождающейся при образовании соответствующего химического соединения. Чем больше высвобождается энергии, тем прочнее химическое соединение. Поэтому реакция восстановления возможна лишь в случае, если при образовании соединения восстановителя (ХБ) выделяется энергии больше, чем при образовании соединения металла (МеБ).
Восстановителем может быть только то вещество, которое обладает большим химическим сродством к неметаллической составляющей восстанавливаемого соединения, чем получаемый металл. В порошковой металлургии в качестве восстановителя наиболее распространены:
- - водород;
- - оксид углерода (СО);
- - конвертируемый природный газ;
- - диссоциированный аммиак;
- - эндотермический газ (эндогаз);
- - твердый углерод (кокс, уголь, сажа);
- - металлы.
Водород является одним из самых активных газов-восстановителей. В природе в свободном состоянии водород почти не встречается, и поэтому большое значение приобретают рациональные способы его промышленного производства. Практическое значение получили так называемый железо-паровой способ производства водорода и электролиз воды.
В железо-паровом процессе водород получают при обработке раскаленного (около 800 єС) железа водяным паром по реакциям
Fe + H2O = FeO + H2
3FeO + H2O = Fe 3 O 4 + H 2
Получаемый газ содержит до 98% водорода и имеет достаточно высокую стоимость, что ограничивает его применение в порошковой металлургии.
При получении водорода электролизом воды в качестве электролита используются водные растворы щелочей (NaOH, KOH) или кислот (H 2 SO 4), так как чистая вода плохо пропускает электрический ток. При пропускании постоянного тока через такие растворы происходит разложение воды на ионы водорода (H +) и ионы гидроксила (OH -) по схеме
H 2 O > H + + OH
Ионы водорода перемещаются к катоду, где отдают свой заряд, превращаясь в атомы водорода. В результате на катоде выделяется газообразный водород. Ионы гидроксила отдают свой заряд на аноде, в результате чего на аноде образуется вода и кислород. Получаемый таким способом газ содержит не менее 99,8% водорода.
Применение водорода для целей восстановления сравнительно ограниченно из-за высокой его стоимости. Кроме того, необходимо помнить о взрывоопасности водорода и строго соблюдать при работе с ним правила техники безопасности. Водородным восстановлением получают порошки вольфрама, молибдена, кобальта, железа, никеля и некоторых других сплавов.
Оксид углерода обычно получают газификацией малосернистого кокса или древесного угля с применением кислородного дутья по реакциям
Образующийся оксид углерода (СО) очищается от пыли, сернистых соединений, углекислоты, влаги и после очистки содержит не менее 92% СО. Стоимость получаемого оксида углерода высока, поэтому для производства металлических порошков восстановлением его практически не применяют. Конверторный природный газ. Природный газ содержит 93 - 98% метана(CH 4). Процесс конверсии заключается во взаимодействии метана с паром при температуре 900 - 1100 єС и в присутствии катализатора по реакции
CH 4 + H 2 O = 3H 2 + CO
Получаемый в промышленных печах конвертируемый газ содержит 75 -76% H 2 , 22 - 23% СО. Он в 8 - 10 раз дешевле водорода и в зависимости от его качества применяется для восстановления оксидов при производстве железного порошка, порошков среднеуглеродистых и легированных сталей, железоникелевых, железовольфрамовых и других сплавов.
Диссоциированный аммиак является дешевым и хорошим заменителем водорода. Разложение аммиака осуществляют в специальных реакторах (диссоциаторах) при температуре 600 - 650 єС. Диссоциированный аммиак содержит 75% H 2 и 25% N 2 и применяется в качестве восстановителя при производстве порошков кобальта, железа, никеля, вольфрама.
Эндотермический газ получают в результате сжигания природного газа или другого углеводородного газа при существенном недостатке воздуха с подводом тепла извне. Эндотермический газ (эндогаз) в последнее время находит широкое применение в порошковой металлургии, хотя обладает меньшей восстановительной способностью по сравнению с водородом. Это объясняется тем, что он более чем в десять раз дешевле водорода и менее взрывоопасен.
Процесс неполного сжигания природного газа ведут при недостатке воздуха в две стадии. На первой стадии кислород взаимодействует с метаном по реакции
CH 2 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
На второй стадии процесса избыточный метан реагирует с образовавшимся CO 2 и H 2 O по реакциям
CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2
Суммарный тепловой эффект реакций первой и второй стадий отрицательный, в связи с чем для поддержания процесса необходим дополнительный подвод тепла извне. Эндогаз, получаемый из природного газа, содержит 18 - 20% СО, 38 - 40% H 2 , около 1% CO, остальное N 2 . С применением эндогаза получают порошки железа и среднеуглеродистых сталей.
Твердый углерод при получении порошков восстановлением используется в виде кокса, древесного угля, сажи. Указанные материалы является сильными восстановителями, так как содержат 93 - 98% углерода. Существенным недостатком этих материалов, используемых в качестве восстановителей, является то, что они содержат нежелательные примеси (сера, зола, влага), переходящие в порошок и ухудшающие его свойства.
Металлотермический. Процесс восстановления химического соединения металлом называют металлотермическим, основанным на большом сродстве металла-восстановителя к кислороду или другому неметаллическому элементу соединения, чем восстанавливаемый металл. Высоким сродством к кислороду обладают кальций, магний, алюминий, натрий, калий, цирконий и бериллий. На практике для осуществления металлотермических реакций восстановления используют в основном кальций, магний, алюминий, натрий.
К металлам-восстановителям предъявляются требования, чтобы они не образовывали с получаемым металлом, сплавов и других соединений. Избыток восстановителя, а также побочные продукты реакции должны полностью отделяться от восстановленного металла.
Металлотермическим восстановлением получают порошки титана, тантала, ниобия, легированных сталей.
Электролитический метод.
Среди физико-химических методов получения металлических порошков электролитический способ по промышленному распространению занимает второе место после восстановления.
Получение порошков электролизом заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или его расплавленных солей при пропускании через них постоянного электрического тока и последующей разрядке соответствующих ионов металла на катоде.
При электролизе передача электричества в электролите, представляющем собой раствор солей, кислот и оснований, осуществляется движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате диссоциации молекул указанных химических соединений. Ионы в электролите в отсутствие внешнего электрического поля движутся хаотически. При наложении электрического поля движение ионов становится упорядоченным, и катионы перемещаются к катоду, а анионы - к аноду.
Источник электрического тока является своеобразным двигателем или насосом, перемещающим электроны с одного полюса на другой. В результате такого принудительного перемещения электронов на катоде образуется избыток отрицательно заряженных электронов на катоде образуется избыток отрицательно заряженных электронов и он приобретает отрицательный заряд, а анод, лишившись части электронов, приобретает положительный заряд.
Источником ионов выделяемого металла является анод, состоящий из этого металла, и электролит, содержащий его растворимое соединение. В случае использования нерастворимого анода источником ионов выделяемого металла является только электролит.
Превращение иона металла в атом связано с расходом некоторого количества энергии. Поэтому в первую очередь протекает тот процесс разрядки, который требует меньших затрат энергии. В связи с этим электролиз является и процессом рафинирования, так как не все имеющиеся в электролите катионы при данных условиях могут выделиться на катоде. В этом случае метод электролиза позволяет получать порошки высокой чистоты, допускающий возможность использования даже загрязненных исходных материалов.
В зависимости от условий электролиза на катоде можно получать твердые хрупкие осадки в виде плотных слоёв, губчатые мягкие осадки и осадки рыхлые. Твёрдые и губчатые осадки для получения порошка измельчают, а рыхлые используют как готовый порошок. Основными факторами, влияющими на структуру катодного осадка является:
- - концентрация ионов выделяемого металла;
- - температура электролита;
- - плотность тока.
Концентрация ионов выделяемого металла влияет на количество и качество катодного осадка. При электролизе выделение металла на катоде начинается не по всей его поверхности, а в отдельных местах, в первичных центрах кристаллизации. Повышение концентрации ионов выделяемого металла создаёт ускоренное питание этих центров, в результате чего формируется плотный осадок. Понижение концентрации ионов металла в электролите создаёт условия для образования рыхлого осадка. Однако при слишком малой концентрации в процесс электропереноса будут вовлекаться и другие ионы, что снизит количество катодного осадка.
Температура электролита. При повышении температуры увеличивается подвижность ионов ускоряется их перенос, сохраняется повышенная концентрация катионов у катода. В то же время повышается интенсивность химического взаимодействия выделяемого металла с электролитом, что приводит к снижению количества осадка металла на катоде. Кроме того, возрастает летучесть электролита, ухудшающая условия труда. Практически электролиз водных растворов ведут при температуре электролита 40 - 60 єС, а электролиз расплавов - при температуре ниже температуры плавления выделяемого металла, обеспечивая минимальное протекание побочных процессов.
Плотность тока представляет собой силу тока, проходящего через 1 м2 электрода. Она связывает силу тока, являющегося главным фактором, характеризующим её производительность, с суммарной рабочей площадью катодов или анодов в ванне:
где П - плотность тока, (А /м2);
J - сила тока, А;
S - суммарная рабочая площадь катодов или анодов, м2.
Катодная и анодная плотности тока в ванне не совпадают, так как суммарные поверхности катодов и анодов всегда различаются между собой в силу ряда причин. При большой плотности тока на единице площади катода разряжаются больше ионов и таким образом создаются много первичных центров кристаллизации. В связи с малой скоростью роста кристаллов образуются мелкие, дисперсные осадки. Однако высокая плотность тока приводит к выделению на катоде побочных элементов и снижает количество осадка выделяемого металла. Кроме того, с повышением катодной плотности тока растёт и анодная плотность тока, в результате чего на аноде начинается разрядка побочных ионов, приводящая к ухудшению технико-экономических показателей. Поэтому плотность тока должна быть максимально допустимой и не превышать оптимальное значение.
Изменение плотности тока осуществляется за счет изменения силы тока на ванне или изменением числа катодов (катодной поверхности) при постоянной силе тока.
На электролиз и свойства катодного осадка влияют и другие факторы. В частности, расстояние между электродами, длительность наращивания порошка, кислотность электролита, наличие в нем посторонних ионов, скорость циркуляции электролита, форма и состояние поверхности электродов и другие факторы.
Методом электролиза можно получать порошки всех металлов. В настоящее время электролизом получают порошки меди, железа, серебра, цинка, никеля, кадмия, олова, сурьмы, а также их сплавов.
Электролитический метод производства порошков характеризуется невысокой производительностью и довольно высокой себестоимостью получаемого порошка. Однако чистота и высокие технологические свойства электролитических порошков в значительной степени компенсируют недостатки метода.
Диссоциация карбонилов. Карбонилы представляют собой химические соединения металлов с оксидом углерода, которые можно выразить общей формулой Ме а (СО) с. В основе карбонильного метода лежит способность некоторых металлов под воздействием оксида углерода (СО) образовывать комплексное соединения, называемые карбонилами, которые при определённых условиях могут диссоциировать с образованием порошков. Общим требованием к таким соединениям при получении порошков является их легколетучесть и невысокие температуры образования и термического разложения.
Карбонильный процесс получения порошков проходит в две стадии по реакциям:
Ме а Б в + сСО > Ме а (СО) с
Ме a (СО) с > аМе + сСО
На первой стадии исходное сырьё (Ме а Б в) , содержащее металл (Ме) в соединении с балластным веществом (Б в) взаимодействует с оксидом углерода (СО), образуя промежуточный продукт - карбонил [Ме а (СО) с ] , который отделяется от балластной примеси благодаря высокой летучести и собирается в чистом виде.
Во второй стадии промежуточный продукт (карбонил) при нагреве диссоциирует на металл и оксид углерода, который обычно возвращают на первую стадию процесса.
Первую стадию карбонильного процесса называют синтезом карбонила металла, а вторую - термическим разложением карбонила.
При синтезе карбонила на поверхности исходного материала, который может быть металлоломом, отходами металлообработки, окисленными рудами и др., адсорбируются газообразные молекулы оксида углерода (СО), вступающие затем в химическое взаимодействие с металлической составляющей сырья.
Образующееся карбонильное соединение вначале остаётся на поверхности металла, удерживаемое силами сцепления, а затем удаляется с неё в виде газа. Реакция образования карбонила идёт везде, где оксид углерода соприкасается с поверхностью металла в исходном сырье, а именно снаружи твердого тела, в его трещинах и порах. На образование карбонила оказывают влияние температурные условия, а также присутствие веществ, тормозящих или ускоряющих реакцию.
Термическая диссоциация карбонила на металл и оксид углерода обычно проходит при относительно невысокой температуре. Сначала появляются атомы металла и газообразные молекулы оксида углерода. Порошковые частицы формируются в результате кристаллизации парообразного металла. Сначала образуются зародыши, а затем из них вырастают крупинки порошка различной формы.
На скорость образования зародышей и на скорость формирования металлических кристаллов влияют степень разряжения в аппарате, концентрация паров металла и главным образом температура. При относительно низкой температуре образуется значительно больше зародышей, чем при повышенной. Увеличение концентрации пара металла и снижение вакуума в аппарате благоприятствует образованию зародышей.
Условия развития зародышей отличны от условий их образования. Скорость роста кристаллов также зависит от температуры процесса и от концентрации паров металла. Однако глубина вакуума влияет на форму и размер частиц металла. В условиях глубокого вакуума образуются очень мелкие частицы с правильно сформированными гранями. В умеренном вакууме образуется смесь правильных кристаллов самых различных размеров, а в неглубоком вакууме появляются дендриты. В промышленных масштабах карбонильным методом производят порошки никеля, железа, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама и некоторых других металлов. Метод позволяет получать и полиметаллические порошки, например железоникелевые, железомолибденовые, железокобальтовые, железоникельмолибденовые. В этом случае термическому разложению подвергают смесь карбонилов соответствующих металлов. Сами карбонилы при этом готовят отдельно. Сплавы можно получать и в том случае, если в аппарат разложения вместе с парами карбонила вводить порошок другого металла. Карбонил разлагается на поверхности порошковых частиц и образуется сплав.
Гидрометаллургический способ. Метод является одним из способов хлорной металлургии, в которой используются активные свойства хлора и хлоридов для получения редких металлов и веществ в высокочистом состоянии, когда другие известные методы не могут быть применены. Метод может быть использован и для получения легированного порошка из комплексных руд, содержащих никель, хром, ванадий и другие легирующие элементы, и перерабатываемые в настоящее время с большими потерями указанных элементов.
Сущность способа заключается в том, что металлосодержащий материал подвергается процессу восстановления. Полученный продукт обрабатывается соляной кислотой, в результате чего металл переходит в раствор образуя хлориды по схеме:
Ме + HCl > МеCl + H 2
Нерастворимые компоненты (пустая порода, зола и др.) остаются в осадке. Раствор отделяют от осадка фильтраций, упаривают до концентрации насыщения и подвергают кристаллизации. Полученные кристаллы хлоридов восстанавливают водородом.
Применительно к комплексным рудам в раствор переходят железо, никель, хром, ванадий, марганец. Нерастворимый осадок имеет самостоятельную ценность, так как после перевода в раствор железа и некоторых легирующих элементов он обогащается другими компонентами.
В термодинамическом отношении, характеризующем возможность получения легированного железа из руд хлоридным методом, представляют интерес три основные операции:
- - восстановительный обжиг руды;
- - растворение обожженной руды в соляной кислоте;
- - восстановление хлоридов.
Расчеты показывают, что при восстановительном обжиге в интервале температур 700 - 1000 °С возможно восстановление оксидов железа и никеля. Оксиды остальных металлов в указанном температурном интервале не восстанавливаются. Однако, в присутствии железа возможно восстановление оксидов хрома и марганца, сопровождающегося образованием твердого раствора (Fe - Ме), снижающим сродство восстанавливаемого металла к кислороду.
Из приведённых зависимостей следует, что в присутствии железа равновесный состав газа беднее водородом и оксидом углерода. И образование раствора хрома и марганца в железе существенно облегчает процесс восстановления оксидов хрома и марганца и сдвигает его в область более низких температур.
Следовательно, при восстановительном обжиге комплексных руд возможно восстановление железа, никеля, хрома, марганца и при растворении обожженной руды в соляной кислоте они перейдут в раствор, образуя хлориды. Оксиды остальных элементов, входящих в состав руд, в этих условиях не восстанавливаются и перейдут в нерастворимый остаток.
Хлориды марганца и хрома при указанных температурах не восстанавливаются. Однако, восстановление их в присутствии металлического железа возможно при температурах 600 - 700 °С с образованием твердого раствора хрома и марганца в железе.
Таким образом термодинамические расчеты показывают на возможность осуществления основных операций хлоридного метода получения легированного железа из комбинированных руд. При обжиге возможно восстановление оксидов железа, никеля при температурах 700 - 1000 °С, а более прочных оксидов хрома имарганца - при 900 - 1000 °С в присутствии металлического железа с образованием твердых растворов этих элементов в железе. При растворении руды в соляной кислоте основные элементы переходят в раствор, образуя хлориды, восстановление которых возможно при температурах 600 - 700 °С.
Технологический процесс получения легированного железа из комплексных руд хлоридным методом представлен на рисунке 58. Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение. Сюда же подается твердый восстановитель. В процессе размола происходит равномерное перемешивание руды и восстановителя. Приготовленная шихта направляется на восстановительный обжиг. Для ускорения процесса обжиг проводится с использованием газообразного восстановителя. Подвергнутая восстановительному обжигу руда направляется в реакторы растворения, заполненные соляной кислотой.
Начальная стадия растворения происходит бурно, сопровождается интенсивным выделением водорода, который, пройдя системы осушки и очистки, подаётся на восстановление хлоридов. По мере снижения концентрации соляной кислоты и сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает. Для ускорения процесса растворения на конечном этапе реакционный объём обогревается паром, подаваемым в паровые рубашки реакторов.
Полученная в результате растворения пульпа, содержащая частицы нерастворимого остатка, подается на фильтрацию, где раствор отделяется от нерастворимого остатка. Отфильтрованный раствор поступает на выпаривание и кристаллизацию.
Кристаллы хлоридов направляются на восстановление, которое осуществляется с помощью водорода. Образующийся в ходе восстановления хлористый водород поступает на регенерацию соляной кислоты.
К числу основных достоинств гидрометаллургического способа следует отнести высокую чистоту порошка и почти полная регенерация водорода и соляной кислоты, образующихся на стадиях растворения металлосодержащего сырья и восстановления хлоридов. Кроме того, нерастворимый осадок имеет свою самостоятельную ценность, так как после перевода в раствор получаемого металла он обогащается другими ценными компонентами.
Для случая использования легированного металлосодержащего сырья можно регулировать состав получаемого порошка путем селективного восстановления сложных хлоридов.
Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.
В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.
Изготовление порошковых изделий
Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: смешивание, формование, спекание и калибрование.
Приготовление смеси
Смешивание -- это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.
Формование порошка
Формование изделий осуществляем путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.
Таб. 1 Пример специализированных гидравлических прессов для порошковой металлургии и их характеристик
Спекание
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).
Калибрование
Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность.
Дополнительные операции
Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка и др.
Порошковая металлургия титана
Основная доля выпускаемого титана и сплавов на его основе подвергается вакуумной переплавке. При этом металл дополнительно рафинируется от летучих примесей и водорода. Однако вакуумное спекание, спрессованных из порошкообразного титана заготовок также оказывает значительное рафинирующее воздействие. Поэтому для ряда изделий и продуктов, в особенности при использовании чистого порошка титана, выгодно, а иногда необходимо применять методы порошковой металлургии.
Порошкообразные титан и его сплавы непосредственно применяют: в пиротехнике, в качестве инертного наполнителя для некоторых изделий из пластмасс и для покрытий емкостей в винодельческой и пищевой отраслях промышленности, для геттеров, некоторых катализаторов и т. д.
Только методами порошковой металлургии можно изготовлять всевозможные пористые изделия, коррозионностоикие фильтры для. различных растворов, нефтепродуктов, агрессивных газов и т. п.
Ряд изделий конструкционного назначения, в особенности сложной конфигурации, или небольшие детали, изготовляемые большими сериями, выгоднее производить прессованием из порошков титана или его сплавов в формы, близкие к формам готовых изделий, с последующим спеканием или горячим прессованием порошков, горячей ковкой спеченных заготовок в штампах и другими методами, принятыми в порошковой металлургии других металлов. При этом достигается большая экономия из-за уменьшения потерь и отходов металла на обточку слитков и на стружку и высечки при изготовлении изделий резанием или штамповкой из листовых, прутковых литых и прокатанных заготовок.
Изготовление заготовок спеканием из порошков для их дальнейшей обработки давлением обходится в ряде случаев дешевле, чем вакуумная плавка, особенно в случаях изготовления сплавов, которые приходится переплавлять дважды для равномерного распределения легирующих добавок.
Методами порошковой металлургии можно обеспечить более равномерное распределение легирующих элементов, замешивая их в форме порошков с исходным порошком титана. Возможно получение исходных порошков сразу в форме сплавов, например при добавке легирующих металлов в растворимый анодный материал или их соединений в электролит при получении порошков титана электролизом.
ЦНИИчерметом разработан метод введения легирующих элементов совместным восстановлением гидридом кальция смеси двуокиси титана с окислами легирующих элементов.
Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять однородные сплавы с таким содержанием легирующих элементов, которое не удается обеспечить плавлением вследствие расслоения фаз, отличающихся по плотности.
В производстве прутковых и проволочных сварочных электродов из титановых сплавов достигается значительный технико-экономический эффект при использовании метода экструзии спеченных заготовок из смеси порошков титана с необходимыми легирующими добавками, в том числе и такими, как тугоплавкие карбиды, равномерное распределение которых трудно или невозможно достичь плавкой.
Методами порошковой металлургии производят ряд бескислородных соединений титана: гидрид титана, карбид, нитрид, карбонитрид, борид титана, применяемые в производстве твердых сплавов, для изготовления некоторых изделий в технике высоких температур, в составе наплавочных износостойких материалов и т. п.
В порошковой металлургии титана используют порошки, получаемые измельчением титановой губки, восстановлением двуокиси титана гидридом кальция, а также гидрированием отходов титана и его сплавов и электролитическим рафинированием. Для измельчения крупных и средних кусков вязкой титановой губки целесообразно ее предварительно прогидрировать для придания ей хрупкости. Порошок из гидрированных кусков губки содержит меньше примесей, чем самые мелкие фракции губки.
На операциях измельчения, гидрирования, дегидрирования, смешения порошка титана с легирующими добавками и при хранении порошков они должны быть предохранены от окисления и поглощения азота, чтобы содержание кислорода и азота в металле не превосходило допустимых пределов. В частности, не следует измельчать порошки менее 0,05 мм.
Можно прессовать непосредственно порошок гидрида титана, который более стоек против окисления, или смесь гидрида с дегидрированным порошком. Хрупкий порошок гидрида прессуется труднее, и брикеты из него имеют меньшую прочность, но он быстрее спекается вследствие образования активных кристаллов металла с большой концентрацией дефектов в них в результате разложения гидрида титана в процессе спекания в вакууме. Активированное спекание происходит и при спекании смеси порошков титана и гидрида титана.
Небольшие заготовки из порошка титана или его гидрида прессуют в стальных пресеформах под давлением от 3,5 до 8 Т/см2.
Крупные заготовки массой 50--100 кг и больше прессуют гидростатическим прессованием.
Спекание проводят в вакууме 10-4 мм рт. ст. при 1200--1400° С. Происходящее при 880° С превращение гексагональной модификации титана (а-титан) в кубическую в-титан) благоприятствует повышению подвижности атомов, что позволяет достигать значительной усадки в процессе спекания при указанных относительно невысоких температурах. При спекании следует медленно повышать температуру в области 500--800° С, когда выделяется большая часть водорода.
Конечная пористость изделий, спеченных из гидрида титана, около 2% при линейной усадке 12--14%. Так, при плотности спрее-сованных из гидрида изделий 3,2--3,8 г/см3 после спекания в течение 8 ч при 1300° С плотность возрастает до 4,45 г/см3. Вследствие большой усадки при спекании из гидридных порошков нельзя получить изделия точно заданных размеров.
При работе с более крупнозернистым титановым порошком, полученным измельчением губки, после спекания в течение 15 ч при 1000° С и 4 ч при 1200° С наблюдается линейная усадка только 4 -- 5%. Для получения плотного металла необходима промежуточная ковка (обжатие) заготовки и повторное спекание.
В СССР и за рубежом проводят исследования по повышению жаропрочности титана и его сплавов введением дисперсных тугоплавких твердых включений методами порошковой металлургии. Развиваются работы по обработке порошков титана и его сплавов давлением (в оболочках или без них), в том числе и горячей обработкой давлением в вакууме, что приобретает в последнее время важное значение в обработке ряда тугоплавких металлов. Сюда относятся процессы прокатки (пористых и беспористых) листов и лент, экструзии, ковки.
Представляет интерес возможность применения для формования заготовок и фасонных изделий из порошков титана и его сплавов таких новых эффективных методов, осваиваемых в порошковой металлургии других металлов, как горячее газовое изостатическое прессование (см. гл. II, § 5), импульсное прессование, горячая безотходная ковка фасонных изделий в штампах и др.
Освоение новых методов производства и обработки заготовок и изделий из титана и его сплавов создает условия интенсивного расширения масштабов производства и ассортимента продукции в порошковой металлургии титана и его сплавов.
Развитие порошковой металлургии титана основывается по современному состоянию производства в первую очередь на переработке отходов. В производстве титана и его сплавов и изделий из них в совокупности образуется отходов больше 70% от выпуска исходной титановой губки. Около 50% от всех образующихся отходов титана и его сплавов -- некондиционные; их нельзя подшихтовывать в плавку из-за большого содержания в них кислорода, азота и других примесей, а также из-за неконтролируемого содержания легирующих элементов (алюминия, марганца, ванадия, олова и др.) в случайных смесях отходов разных сплавов. Такие отходы или, во всяком случае, значительную их часть выгодно перерабатывать в порошки одним из описанных выше методов (гидрированием с последующей гидрометаллургией, электролитическим рафинированием).
По мере увеличения масштаба потребления титановых порошков и расширения различных технических требований к ним для разных областей применения, а также требований к снижению их стоимости может возникнуть необходимость в освоении и других методов их производства. Так, среди методов первичного производства порошка титана непосредственно из его основного полуфабриката -- четыреххлористого титана заслуживает внимания натриетермический метод восстановления, который при его одностадийном осуществлении дает достаточно мелкозернистый чистый порошок. Для легирования натриетермического порошка, равно как и магниетермической губки и порошка из нее, представляет интерес возможность добавления некоторых хлоридов легирующих элементов (молибдена, алюминия, ванадия и. др.) к хлориду титана перед его восстановлением.
В поисках новых путей производства дешевых порошков титана и его сплавов представляет интерес возможность использования дешевых и электропроводных анодных материалов в виде карбонитридов и оксикарбидов. Их получают углетермическим вскрытием титановых рудных концентратов, впоследствии из них электролитическим рафинированием производят титановый порошок.
В случае реализации процесса частичной сепарации титановой губки, восстановленной магнием из тетрахлорида с последующим гидрированием, измельчением и выщелачиванием примесей, часть измельченного и отмытого гидрида можно использовать для производства титанового порошка дегидрированием.
Для некоторых областей применения, например для производства фильтров.с высокой проницаемостью, представляет интерес применение порошков титана и его сплавов со сферической формой частиц. Такие порошки получают распылением из расплава инертным газом, распылением вращающегося титанового электрода, расплавляемого в электродуге, или плазменным нагревом в струе инертного газа.
В будущем дешевые порошки титана смогут производиться в количествах, значительно превышающих потребность в них порошковой металлургии. Порошки титана можно будет направлять и на вакуумную переплавку для производства литых сплавов титана.
Таким образом, методы плавки и порошковой металлургии в производстве титана должны развиваться параллельно, дополняя один другой.
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.
Содержание статьи
ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ, технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них, а также из композиций металлов с неметаллами. В обычной металлургии металлические изделия получают, обрабатывая металлы такими методами, как литье, ковка, штампование и прессование. В порошковой же металлургии изделия производят из порошков с размерами частиц от 0,1 мкм до 0,5 мм путем формования холодным прессованием и последующей высокотемпературной обработки (спекания). Порошковая металлургия экономична в отношении материалов и, как и традиционные методы металлообработки, позволяет получать детали с нужными механическими, электрическими и магнитными свойствами. Продукция порошковой металлургии используется в различных отраслях промышленности, в том числе в авиакосмической, электронной и на транспорте.
Методы порошковой металлургии начали разрабатываться в 20 в. для металлов, не допускающих обработки обычными методами. Так, например, вольфрам невозможно плавить и обрабатывать обычными методами литья, поскольку очень высока его температура плавления (3410° C). Поэтому, например, вольфрамовую нить для электрических ламп накаливания вытягивают из вольфрамовых штапиков, полученных прессованием и спеканием вольфрамового порошка. Порошки карбидов вольфрама, тантала и титана смешиваются с порошкообразными кобальтом и никелем, затем формуются холодным прессованием и спекаются. В результате получаются твердые металлокерамические материалы (цементированные карбиды), пригодные для обработки металлов резанием и для бурения горных пород. Самосмазывающиеся бронзовые подшипники могут быть изготовлены только методами порошковой металлургии. Поры бронзы заполняются смазочным маслом, которое поступает на рабочую поверхность подшипника под действием капиллярных сил, как по фитилю. Промышленными методами порошковой металлургии обрабатываются также железо, сталь, олово, медь, алюминий, никель, тантал, сплавы бронзы и латуни.
Технология.
Металлические порошки получают восстановлением металлов из их окислов или солей, электролитическим осаждением, распылением струи расплавленного металла, термической диссоциацией и механическим дроблением. Наиболее распространен способ восстановления металлов (железа, меди или вольфрама) из соответствующих окислов с последующим электрорафинированием. Механическим дроблением получают порошки (с частицами нужной крупности и формы) хрома, марганца, железа и бериллия.
Технологический процесс изготовления изделий из металлических порошков состоит из следующих операций: подготовка смеси для формования, формование заготовок или изделий и их спекание. Формование заготовок или изделий осуществляется путем холодного прессования под большим давлением (30–1000 МПа) в металлических формах. Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре, составляющей 70–90% температуры плавления металла. В смесях максимальная когезия достигается вблизи температуры плавления основного компонента, а в цементированных карбидах – вблизи температуры плавления связующего. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме.
Применение.
Круг изделий, изготавливаемых методами порошковой металлургии, весьма широк и непрерывно расширяется. К ним относятся зубчатые колеса, рычаги, кулачки и поршни для автомобилестроения, машиностроения, энергетики, промышленности средств связи, строительной, горнодобывающей и авиакосмической промышленности. Из ленты, полученной холодной прокаткой никелевого порошка, изготавливают монеты (например, канадский пятицентовик). Порошок железа используется в качестве носителя для тонера в ксероксах, а также в качестве одного из ингредиентов изделий из зерновых продуктов и хлеба повышенной питательности. Алюминиевый порошок служит компонентом ячеистого бетона, красок и пигментов, твердого ракетного топлива. См. также
Порошковая металлургия как метод получения и обработки материалов отличается разнообразием технологических приемов и способов производства, что позволяет получать спеченные материалы и изделия различных составов, свойств и назначений. Выделяются две особенности при применении методов порошковой металлургии.
1. Возможность получения принципиально новых материалов и изделий из них со специфическими свойствами, которые нельзя получить при использовании других технологических процессов (детали из фрикционных и антифрикционных, пористых материалов и материалов с особыми физическими свойствами). Эффективность изготовления таких деталей, прежде всего, определяется их назначением и эксплуатационными свойствами.
2. Изготовление деталей, не обладающих специфическими свойствами, для которых метод порошковой металлургии не является монопольным. К ним относятся детали конструкционного назначения, получение которых методом порошковой металлургии оправдано лишь значительным эффектом за счет снижения расхода материала, трудоемкости, себестоимости и других технико-экономических показателей.
Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода заготовок является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуют или формуют в изделия заданных размеров и подвергают термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты.
Основные элементы технологии порошковой металлургии следующие :
Получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или их сплавы, металлоиды, соединения металлов с неметаллами и другие химические соединения;
Прессование из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах, т. е. формование будущего изделия;
Термическая обработка (или спекание) спрессованных изделий, обеспечивающая им окончательные физико-механические и другие свойства.
В производственной практике иногда встречаются отклонения от типового технологического процесса, например совмещение прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленным металлом, допрессовка или калибровка спеченного полуфабриката, дополнительная механическая обработка спеченных изделий и т. д.
Достоинства порошковой металлургии следующие:
Возможность изготовления деталей из тугоплавких материалов, псевдосплавов (например, медь - вольфрам, железо - графит), пористых материалов с заранее заданной пористостью (фильтры, самосмазывающиеся подшипники);
Значительная экономия материалов в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не нуждающихся (или почти не нуждающихся) в последующей механической обработке; отходы производства в этом случае не превышают 1-5 %;
Возможность получения изделий из материалов высокой чистоты, так как при изготовлении деталей методом порошковой металлургии (в отличие от литья) исключается внесение каких-либо загрязнений в перерабатываемый Материал;
Технология порошковой металлургии по своему характеру несложна и основные операции изготовления порошковых изделий не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;
Возможность автоматизации технологических процессов, которые не связаны с разработкой сложных ориентирующих и транспортирующих устройств, бункеров и других механизмов, необходимых при изготовлении деталей из штучных заготовок.
Экономичность методов порошковой металлургии проявляется в полной мере только при больших масштабах производства. Сравнение затрат по изготовлению деталей из литых и спеченных из металлических порошков заготовок показывает, что у первых основной расход составляет заработная плата по изготовлению, у вторых - стоимость технологической оснастки и исходных материалов. В связи с этим замена стальных и чугунных деталей несложной конфигурации деталями из металлических порошков не всегда экономична.
Как показывает опыт, при числе деталей массой 30-50 г менее 10 тыс. шт. в большинстве случаев невыгодно изготовлять детали методом порошковой металлургии. Сравнительно высокая стоимость исходных порошков и пресс- форм делает порошковое производство выгодным лишь в случае, когда объем партий выпускаемых изделий определяется десятками тысяч (табл. 2.27). Однако уникальные свойства получаемых изделий часто делают целесообразным изготовление изделий из порошков и значительно меньшими партиями.
К недостаткам порошковой металлургии можно отнести ограниченность размеров и относительную простоту формы получаемых изделий, что обусловлено спецификой формования порошков. При изготовлении деталей машин методом порошковой металлургии наличие остаточной пористости в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как при изготовлении литьем или ковкой (рис. 2.44).
В табл. 2.28 представлено изменение прочностных характеристик порошковых и компактных материалов.
Экономически эффективные объемы производства деталей из материалов на основе железа методами порошковой металлургии
|
Сложность деталей |
Производство деталей |
||||||||||||
|
Подгруппа |
без калибровки |
с калибровкой |
без калибровки |
||||||||||
|
Масса деталей, г |
|||||||||||||
|
Базовый вариант |
|||||||||||||
|
Обработка резанием |
Точное литье |
||||||||||||
|
Весьма сложная |
|||||||||||||
|
Подгруппа |
Базовый вариант - штамповка |
||||||||||||
|
с калибровкой |
без калибровки |
с калибровкой |
|||||||||||
|
Весьма сложная |
|||||||||||||
Несмотря на недостатки, метод порошковой металлургии в последние годы настолько широко и прочно вошел во все сферы науки и техники, что трудно перечислить все области его применения. Рассмотрим некоторые из них, охарактеризовав основные порошковые материалы и области их применения.
Типовыми деталями, изготавливаемыми из конструкционных порошковых материалов, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, храповики, гайки, фланцы, ограничители, детали мерительных инструментов и др.
Механические свойства конструкционных спеченных материалов характеризуются пределом прочности при изгибе, ударной вязкостью, относительным удлинением, твердостью. Другие физико-механические свойства этих материалов в настоящее время изучены на отдельных марках материалов и отдельных вариантах технологического процесса и являются факультативными. В табл. 2.29 приведены свойства некоторых конструкционных порошковых материалов и основные области их применения.
Коррозионная стойкость деталей, у которых пористость не превышает 6-7 %, такая же, как у компактных материалов того же химического состава. При увеличении пористости коррозионная стойкость ухудшается.
При решении вопроса о переводе деталей на изготовление методом порошковой металлургии необходимо учитывать следующие обстоятельства:
Возможные издержки при изготовлении деталей могут компенсироваться экономическим эффектом при эксплуатации за счет повышения эксплуатационных свойств изделия;
Общая характеристика и назначение конструкционных порошковых материалов
Заложенный запас прочности в деталях из литых и кованых заготовок при конструктивном выборе размеров во много раз превосходит необходимый, хотя это и не вызывается эксплуатационными требованиями; в связи с этим необходимо учитывать реальные условия работы деталей и требования, которые должны предъявляться к ним по механическим и физико-механическим свойствам;
Детали из порошковых материалов имеют в среднем на 5-15 % меньшую плотность, что снижает расход материала и уменьшает массу изделия.
Выбор деталей для перевода на изготовление из металлических порошков необходимо производить в два этапа. На первом этапе оценивают технологичность детали с точки зрения требований порошковой металлургии и определяют возможную схему технологического процесса. На этом этапе деталь анализируют по следующим признакам:
Форме и конфигурации детали (отбирают детали, для которых могут быть применены известные технологические схемы изготовления деталей из порошков, определяют группу сложности детали);
Геометрическим размерам (вычерчивают эскиз спеченной заготовки, анализируют необходимость и возможность изменения размеров и формы детали, необходимость операции калибровки, характер расположения детали в пресс- форме и т. п.;
По давлению прессования оценивают мощность прессового оборудования;
Определяют объем и необходимость последующей механической обработки;
Механическим и физико-механическим свойствам материала (выбирают марку порошкового материала, назначают окончательную схему технологического процесса).
На втором этапе анализируют технико-экономические показатели производства изделий и определяют экономическую целесообразность их перевода на изготовление из порошков.
Анализ осуществляется по показателям:
Годовой программе деталей (отбирают детали, количество которых не ниже критической серийности; при программе ниже критической производство спеченных деталей экономически нецелесообразно; для деталей с особыми свойствами не представляется возможным установить экономически целесообразный уровень серийности, поэтому вопрос о переводе их на изготовление методом порошковой металлургии должен решаться индивидуально);
Коэффициенту использования металла (проводят сравнительный анализ Ки м при производстве деталей по существующей технологии и методом порошковой металлургии (Ки м при изготовлении деталей из порошков составляет не менее 0,75 и зависит от технологической схемы производства);
Себестоимости (осуществляют сравнительный анализ себестоимости изготовления деталей по вариантам).
По завершении подбора номенклатуры деталей для перевода на изготовление их из порошковых материалов для каждой детали оформляют техническое заключение, где анализируемые детали подразделяются на три категории.
К первой относят детали, для которых имеется достаточный опыт по внедрению в промышленное производство деталей подобной сложности и из данного материала. Детали могут быть полностью изготовлены по отработанной технологии.
Ко второй категории относят детали, для которых нет достаточного опыта по внедрению в производство; необходимы проверка отдельных технологических решений по схеме производства и проведение натурных испытаний детали.
К третьей категории относят детали, для изготовления которых нет опыта по формообразованию и отсутствует технология производства; необходимы разработка технологии изготовления детали из данного материала и комплексное исследование материала детали.
Детали, получаемые из порошковых материалов, в соответствии с работой подразделяются на три группы: простую, сложную и весьма сложную. Каждая группа имеет подгруппы сложности. Эскизы деталей для соответствующих групп сложности представлены на рис. 2.45.
При конструировании деталей, предназначенных для изготовления методом порошковой металлургии , следует учитывать ряд ограничений, обусловленных технологией порошковой металлургии (рис. 2.46):
Максимально упрощать форму детали;
Не допускать боковых впадин, круговых канавок, обратной конусности и отверстий, непараллельных оси прессования;
Избегать тонких стенок, узких пазов, острых углов и т. п.;
Изменения размеров по толщине и диаметру должны быть минимальными;
Стремиться использовать круглые сечения взамен квадратных и прямоугольных;
Радиус закругления у наружных углов выбирать не менее 2,5 мм, а у внутренних - 0,25 мм;
При однократном холодном прессовании с последующим спеканием может быть достигнута следующая точность размеров: 0,03-0,05 мм (радиальные размеры); до 0,12 мм (размеры по высоте);
Шероховатость поверхности спеченных деталей определяется шероховатостью поверхности пресс-форм, однако наличие пористости в деталях не позволяет получать полированные поверхности;
Изделия высотой (длиной) более пяти диаметров могут обладать неоднородной плотностью; для получения высокой однородности металла отношение длины к максимальному размеру поперечного сечения детали не должно превышать трех;
для получения высоких прочностных характеристик обрабатываемых деталей необходимо использовать более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. (дальнейшее совершенствование этого метода - изостатическое прессование, реализуемое на специальных изостатических прессах).
Изостатическое прессование в отличие от обычных методов осуществляют с помощью газа (или жидкости), находящегося под высоким давлением и равномерно (изостатически) сжимающего заготовку вдоль всей ее поверхности. Изделия, полученные изостатическим прессованием, характеризуются высокой и равномерной плотностью. Исходным материалом чаще всего служит металлический или керамический порошок. Его заключают в плотную эластичную капсулу и прессуют в контейнере высокого давления. В изостатических прессах можно прессовать заготовки диаметром 1000 мм и высотой 2500 мм и более.