Производство деталей из металлических порошков относится к отрасли техники, называемой металлокерамикой или порошковой металлургией. Метод порошковой металлургии позволяет получить материалы и детали, обладающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, твёрдостью, заданными стабильными магнитными свойствами. При этом порошковая металлургия позволяет получать большую экономию металла и значительно снижать себестоимость изделий.
Порошковая металлургия позволяет получать металлокерамические материалы с особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья, обработки давлением.
Однако многие металлокерамические материалы и детали имеют низкие механические свойства (пластичность и ударную вязкость).
Кроме того, в ряде случаев стоимость металлических порошков значительно превышает стоимость литых металлов.
Развитие порошковой металлургии обусловлено главным образом тем, что её технологические операции сравнительно просты, а достигаемый с их помощью эффект во многих случаях оказывается поразительным. Только порошковая металлургия позволила преодолеть трудности, возникшие при производстве изделий из тугоплавких (температура плавления 2000 °С и выше) металлов, получать сплавы из металлов с резко различающими температурами плавления, изготавливать материалы из металлов и неметаллов или из нескольких слоёв разнородных компонентов, производить фильтрующие материалы с равномерной объёмной пористостью и успешно решать другие задачи.
История развития порошковой металлургии
Русские учёные Пётр Григорьевич Соболевский (1782 – 1841 гг.) и Василий Васильевич Любарский (1795 – 1854 гг.), 26 мая 1826 г. изготовили первые промышленные изделия, применив прессование и спекание платинового порошка.
Организовав выпуск платиновых монет, тиглей и других изделий, П.Г. Соболевский и В.В. Любарский на три года опередили англичанина Волластана, предложившего в 1829 г. аналогичный способ получения компактной платины.
Начало ХХ в. ознаменовалось бурным развитием электротехники, потребовавшей материалы (такие как проволока, из вольфрама и молибдена, медно-графитовые щётки и др.), которые нельзя было, изготовит обычными для того времени методами. Порошковая металлургия с успехом преодолела возникшие трудности, а затем появились спечённые магнитные и контактные материалы, самосмазывающиеся подшипники, твёрдые сплавы и т.д.
Порошковая металлургия
... и др.) материалы. Основные преимущества использования порошковой металлургии: снижает затраты на дальнейшую механическую обработку, которая может быть исключена или существенно уменьшена. Получает готовое изделие точное ... производство. Соответствие размеров в серии изделий. Глава 1. История развития порошковой металлургии. Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и ...
В 1918 г. на втором заседании Горного Совета при ВСНХ рассматривался вопрос о добыче вольфрама и молибдена, а при Главхиме ВСНХ была организована Комиссия по редким металлам, превратившаяся в 1921 г. в «Бюрэль» — Научно-техническое бюро по промышленному применению редких элементов. Исследования в этом бюро послужили основой создания в СССР с применением методов порошковой металлургии промышленного производства тугоплавких металлов, твёрдых сплавов и тугоплавких соединений редких металлов. Освоение технологии изготовления различных порошков дало толчок развитию работ в области производства спечённых изделий конструкционного назначения. Помимо технологических разработок были проведены обширные исследования в области создания научных основ порошкового металловедения и порошковой металлургии.
В 70-е годы в СССР имелось несколько сот научных организаций и специализированных производств, активно участвующих в развитии порошковой металлургии. Среди них крупнейшими являются Центральный научно-исследовательский институт чёрной металлургии (ЦНИИчермет), Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (ВНИИЭМ), Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твёрдых сплавов (ВНИИТС) и др.
Получение порошков
Производство порошка – первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Существующие способы получения порошков весьма разнообразны – это делает возможным придания изделиям из порошка требуемых физических, механических и других свойств. Также метод изготовления порошка определяет его качество и себестоимость. Выделяют два способа получения порошков: физико-химические и механические.
К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате полученный порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала. К физико-химическим методам относятся: электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений, восстановление оксидов твердыми восстановителями и газами, метод испарения и конденсации и др.
Под механическими методами получения порошков понимают технологические процессы, при которых в результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в порошок без изменения его химического состава. Чаще всего используется измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций. К механическим методам относят: измельчение металла резанием, размол в шаровых мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках, распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом.
Более универсальными являются физико-химические методы, но в практике порошковой металлургии четкой границы между двумя методами получения порошка нет. Чаще всего в технологическую схему производства порошка включаются отдельные операции как механических, так и физико-химических методов получения порошка.
ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРРОВОЛЬФРАМА ИЗ ВОЛЬФРАМИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКИМ ...
... то характерно восстановление оксидов металлов, имеющих высокую прочность при извлечении их из шихты; восстановление оксидов; получение сплавов и ... ферросплавы; хромистые ферросплавы. Группа малых ферросплавов (менее распространенные) : ферровольфрам и сплавы с вольфрамом ( W - Cr , W ... других разнообразных сплавов. Ферросплавная промышленность включает производство около 100 различных в и дов ...
Получение металлических порошков путем восстановления из оксидов является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным методом .
Восстановление – процесс получения металла, материала, вещества или их соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода или солевого остатка) из исходного химического соединения .
Порошки, получаемые восстановлением, имеют низкую стоимость, а в качестве исходных материалов при их получении используются рудные концентраты, оксиды, отходы металлургического производства. Эта особенность метода восстановления обусловила его широкое практическое применение. В настоящее время этим методом получают порошки многих металлов .
В общем случае химическую реакцию восстановления можно представить:
MeX + B ↔ Me + BnXm ± Q,
где Х – неметаллическая составляющая,
В – восстановитель (углерод в виде кокса, сажи, древесного угля, природных газов; Н2; СО; СО2; активные металлы) .
Восстановление металлов из оксидов может производиться твердыми или газообразными восстановителями. К числу активных газообразных восстановителей относятся водород, окись углерода и различные газы, содержащие СО и Н2. В качестве твердого восстановителя используют углерод и металлы, имеющие большее химическое сродство к кислороду: натрий, кальций и магний. Восстановление одних металлов при помощи других, имеющих большее сродство к кислороду, называется металлотермией.
Среди восстановителей углерод (благодаря низкой стоимости и простоте процесса восстановления) находит широкое применение. Недостатком процесса является возможность науглероживания восстанавливаемых металлов, что ограничивает этот процесс. Восстановление углеродом наибольшее распространение имеет при получении порошков железа, хрома, вольфрама и некоторых других металлов, а также при непосредственном получении порошков из оксидов карбидов.
В связи с тем, что металлы по восстановимости оксидов разделяются на легко восстановимые (медь, никель, кобальт, железо, вольфрам и молибден) и трудно восстановимые (хром, марганец, ванадий, алюминий, магний), для восстановления многих оксидов требуются более сильные по сравнению с углеродом восстановители. Нередко для получения порошков, не загрязненных углеродом, например, порошков кобальта, вольфрама, молибдена, в качестве восстановителя применяется водород.
Независимо от восстановителя метод получения порошков восстановлением является гибким процессом. Частицы порошков получаются губчатыми в виде многогранников с сильно развитой поверхностью, которые благодаря большой пористости хорошо прессуются. Размеры частиц определяются температурой восстановления: чем ниже температура, тем мельче получаются частицы порошков.
Восстановление металлических оксидов металлами применяется только в том случае, когда восстановление углеродом или газом является невозможным или непрактичным .
Сыпучие материалы. Порошки. Свойства порошков. Устойчивость. ...
... В порошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» ... при недостатке кислорода. Восстановление оксидов металлов. Восстановление природным газом, водородом или твердыми восстановителями используется для получения высокодисперсных металлических порошков. - Термическая диссоциация ...
Свойства порошков
1)Химические свойства
Химические свойства порошков зависят от содержания основного металла или основных компонентов, входящих в состав комплексных порошков, а также от содержания примесей, различных механических загрязнений и газов. Также важными химическими особенностями порошков являются их воспламеняемость, взрываемость и тоскичность.
Содержание основного металла в порошке или сумма основных компонентов сплава составляет обычно более 98-99%, что для последующего изготовления большинства порошковых материалов достаточно. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами (например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.
Предельное количество примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой продукции. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.
Воспламеняемость порошка связана с его способностью к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей атмосферой, которая при относительно невысоких температурах может привести к воспламенению порошка или даже взрыву.
Пожароопасность зависит от химической природы и чистоты металла, крупности и формы частиц порошка, состояния их поверхности (пленки оксидов уменьшают пожароопасность, а шероховатость усиливает ее).
Воспламеняемость порошка зависит от того, находится ли он в свободно насыпанном состоянии (в виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (в виде аэрозоля).
Для аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения, а также энергию воспламенения.
Взрываемость порошка. Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка с кислородом приводят к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием и распространением взрывной волны (происходит взрыв).
Металлические порошки, располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться. Поэтому, рассматривая взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е. взвеси металлических частиц в газе.
Характеристики взрываемости зависят от дисперсности металлического порошка, степени его окисленности и содержания кислорода в газовой фазе.
Токсичность порошка. Практически пыль любоко из металлов, в том числе и совершенно безвредных в компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать патологические изменения в его организме, фиброгенные и аллергические заболевания. Степень опасности для здоровья человека металлических пылей зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в организм и т.д. Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях концентрацию пыли на уровне ниже нормы.
Гидрометаллургические способы получения металлов
... выгодно отличают его от других металлов. Это небольшая плотность, хорошая пластичность, достаточная механическая ... Получение из раствора металла или чистого соединения извлекаемого компонента. Рабочей системой и продуктом процессов выщелачивания и осаждения реагентами является пульпа — суспензия твёрдых частиц ... уменьшается на 6.6.%. Т — кипения — 25000 С. В твёрдом состоянии плотность алюминия: ...
2) Физические свойства
К физическим свойствам порошка относятся форма и размер частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность частиц, пикнометрическая плотность и микротвердость.
Форма и размер частиц. В зависимости от химической природы металла и способа получения, частицы порошка могут иметь различную форму – сферическую (карбонильные), каплеобразную (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле в вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в шаровых и вибромельницах), волокнистую и лепесткововидную (получение при плющении).
Форма частиц порошков оказывает большое влияние на насыпную плотность и прессуемость, а также на плотность, прочность и однородность прессовок.
В зависимости от метода получения порошков их размеры могут колебаться в больших пределах. В связи с этим порошки классифицируются на ультратонкие с размером частиц до 0,5 мкм; весьма тонкие – от 0,5 до 10 мкм; тонкие – от 10 до 40 мкм; средней тонкости – от 40 до 150 мкм и крупные (грубые) – свыше 150 мкм.
От размера частиц порошков в сочетании с другими свойствами зависят насыпная плотность, давление прессования, усадка при спекании,
Существует несколько методов определения гранулометрического состава порошков: ситовый анализ, микроскопический метод, седиментация и др. Самым простым и наиболее распространенным является ситовый анализ, который состоит в просеивании пробы порошка через набор сит, взвешивании отдельных фракций и расчета их процентного содержания .
Удельная поверхность частиц. Под удельной поверхностью порошкообразных тел понимается суммарная поверхность всех частиц порошка, взятого в единице объема или массы.
Удельная поверхность зависит от размера и формы частиц, а также от степени развитости их поверхности. Удельная поверхность возрастает с уменьшением размера частиц, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности.
Удельная поверхность – важная характеристика, которая определяет поведение порошкового материала при основных технологических операциях – прессовании и спекании
Наиболее часто для определения показателя удельной поверхности применяют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции .
Пикнометрическая плотность. Исследование плотности металлических порошков в зависимости от метода их получения показывает, что фактическая плотность частиц порошка значительно отличается от плотности, вычисленной на основе рентгенографических данных при определении кристаллографической структуры металлического порошка. Это различие в плотности объясняется наличием в металле порошка значительной внутренней пористости, дефектов, оксидов и т.п. Поэтому в практике порошковой металлургии важное значение приобретает фактическая плотность, которую определяют пикнометрическим методом /8/.
Технология изготовления деталей из неметаллических материалов и порошков
... изготовления изделий из резины состоит из приготовления сырой резиновой смеси, формования и вулканизации. Приготовление резиновой смеси - смешивание компонентов в смесителях до получения ... получении пленок из термопластов (полиэтилена, полипропилена и др.) непрерывным выдавливанием используют метод раздува. Расплавленный материал продавливают через кольцевую щель насадной головки и получают заготовку ...
Микротвердость частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Ее величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также от условий предварительной обработки порошка, изменяющей структуру его частиц. Деформируемость имеет важное значение для оценки технологических свойств порошков, главным образом их прессуемости.
Микротвердость частиц порошка определяют по методу Виккерса, т.е. вдавливанием алмазной пирамиды в исследуемый материал с целью прогнозирования поведения порошка при прессовании и для разработки новых материалов .
3) Технологические свойства
Под технологическими свойствами порошков понимается их насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость.
Насыпная плотность порошка – масса единицы объема порошка при свободной насыпке.
Насыпная плотность выражает способность порошка к укладке и зависит от плотности металла (сплава) и фактического заполнения порошком объема. Плотность укладки частиц порошка в объеме определяется его дисперсностью, формой и удельной поверхностью частиц. Поэтому насыпная плотность порошка из одного металла (в зависимости от метода получения) может иметь различное значение .
Текучесть порошка – способность порошка с определенной скоростью вытекать из отверстия. Этот показатель важен для организации процесса автоматического прессования заготовок. По стандарту текучесть выражают числом секунд, за которое 50 г порошка вытекает через колиброванные отверстия конусной воронки.
Уплотняемость – способность уменьшать занимаемый объем порошкового материала под воздействием давления или вибрации. По стандарту эта характеристика оценивается по плотности прессовок, изготовленных при давлениях прессования в цилиндрических прессформах с заданным диаметром.
Прессуемость – способность образовывать тело при прессовании, которое имеет заданные размеры и форму.
Формуемость – способность сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале пористости. Формуемость порошка в основном зависит от формы, размеров и состояния поверхности частиц. Как правило, порошки с хорошей формуемостью обладают не очень хорошей прессуемостью, и наоборот. Чем выше насыпная плотность порошка, тем хуже формуемость и лучше прессуемость.
Формование заготовок из порошковых материалов
Под формованием следует понимать процесс получения заготовок требуемых форм и размеров, а также достаточной прочности для последующего изготовления из них изделий. Формование предполагает уплотнение порошка. Процесс уплотнения порошкового материала в отличие от деформирования компактного металла сопровождается значительным изменением объема прессуемого тела.
Процесс получения металлокерамики
... основные операции: получение порошка исходного материала; формование заготовок; спекание; окончательную обработку. Каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия. Теоретические, методологические и практические вопросы получения металлокерамики являются ...
На начальной стадии уплотнение происходит за счет относительного перемещения частиц порошка и их более плотной упаковки, на последующих этапах — в результате упругой и пластической деформации частиц или их хрупкого разрушения (в зависимости от свойств деформируемых порошков).
Прочность заготовки с повышением давления прессования увеличивается и обеспечивается за счет механического сцепления частиц и сил межатомных и межмолекулярных связей.
Обычно перед формованием производят подготовку порошков, заключающуюся в их отжиге, классификации и приготовлении смесей (шихты).
Отжиг применяют с целью повышения пластичности и прессу-емости порошков за счет восстановления остаточных оксидов и снятия наклепа.
Классификация — разделение порошков на фракции по размерам частиц. Разделение осуществляют с помощью сит либо воздушных сепараторов.
Приготовление шихты производят в мельницах, смесителях и др. Для этого дозированные порции компонентов определенного гранулометрического и химического состава смешивают в указанных устройствах, добавляя в случае необходимости различные технологические присадки: пластификаторы (стеарат цинка, парафин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования; легкоплавкие присадки, улучшающие спекание; летучие вещества для получения изделий с заданной пористостью. При смешивании порошков материалов, резко различающихся по своим свойствам (например, железа и графита), в целях получения наиболее однородной смеси применяют добавки спирта, бензина, глицерина и др.
Прессование в стальной пресс-форме является наиболее распространенным способом получения заготовок. Пуансон передает давление на порошок , помещенный в пресс-форму , и порошок уплотняется.
Одним из основных недостатков формования в пресс-формах является возникновение сил трения порошка о стенку матрицы (пресс-формы).
Это вызывает неравномерное распределение плотности (прочности) по высоте заготовки, особенно если высота значительно превышает ее диаметр.
На практике снижение трения порошка о стенку матрицы, а следовательно, улучшение условий процесса прессования достигается применением смазки и другими технологическими приемами. Одним из них, например, является замена одностороннего приложения давления на двустороннее. В последнем случае два пуансона движутся навстречу друг другу. Это приводит к более равномерному распределению плотности по высоте заготовки и снижению давления прессования на 30…40 %. Поэтому изделие с более сложной конфигурацией изготавливают двусторонним прессованием. Уплотнение производят на гидравлических или механических прессах, давление прессования составляет 200… 1000 МПа в зависимости от свойств порошка и назначения изделия. Детали пресс-форм выполняют из высокоуглеродистых легированных сталей (инструментальных сталей), твердых сплавов. Стойкость стальных пресс-форм составляет 1…50, пресс-форм из твердых сплавов — до 500 тыс. прессовок.
Технологии изготовления деталей электронных средств
... выпуска и условий производства. Рис 1. 2. Методы размерной обработки изделий Точность обработки деталей. На качество изделия большое влияние ... и производственных подразделений предприятия, на котором изготовляется деталь. Для производства детали всегда можно предположить несколько методов обработки (или ... и работающих в жёстких условиях эксплуатации. Электронная аппаратура на базе УТК включает в себя ...
Мундштучное прессование применяют для получения заготовок изделий большой длины и равномерной плотности (прутки, трубы, уголки и т. п.) из труднопрессуемых порошков вольфрама, тория, бериллия и др. Процесс получения заготовок заключается в выдавливании порошка, заключенного в полость контейнера, пуансоном через отверстие мундштука матрицы . Для обеспечения лучшего связывания частиц порошка и более легкого истечения смеси, через отверстие мундштука в шихту добавляют пластификатор (крахмал, парафин и т. д.).
Массовая доля пластификатора в шихте обычно составляет 10… 12 %.
Профиль получаемой заготовки определяется формой отверстия мундштука, полые профили получают с применением специального рассекателя (иглы).
Изостатическое прессование заключается в том, что порошок, помещенный в эластичную оболочку, подвергается в камере высокого давления всестороннему сжатию. Если давление создается жидкостью (вода, масло), прессование называют гидростатическим, а если газом,— газостатическим. Порошковое тело после формования имеет практически равномерную плотность по всему объему. В связи с этим изостатическое прессование применяют для получения заготовок сложных конфигураций и больших размеров. Недостатком способа является необходимость проведения дополнительной механической обработки заготовок для достижения их точных, заданных размеров. Прокатка порошков является экономичным и прогрессивным способом непрерывного формообразования заготовок. Ее можно производить в любом направлении.
При прокатке в вертикальном направлении порошок непрерывно поступает из бункера / в зазор между валками . При вращении валков порошок обжимается и вытягивается в ленту или полосу определенной толщины. Применение бункера с одной или несколькими перегородками позволяет получать двух- или многослойные заготовки из различных материалов.
В настоящее время прокаткой металлических порошков получают ленты и полосы толщиной 0,025…3 мм и шириной до 300 мм, прутки различного профиля и т. д.
Технологический процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной отделкой получаемых изделий. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность его автоматизации.
Шликерное литье применяютдля получения изделий сложной формы (с внутренними полостями) из хрупких и твердых порошков карбидов, нитридов, силицидов и др. При этом 40…70 %-ю водную суспензию порошка (шликер) заливают в пористую гипсовую или керамическую форму. Жидкость впитывается стенками формы, внутри формы образуется заготовка, связь частиц порошка в которой обеспечивается их Механическим сцеплением. Подсушенную заготовку извлекают, разрушая стенки формы, окончательно сушат и затем спекают.
Горячее прессование характеризуется совмещением процессов прессования и спекания заготовок. При температурах, близких к температуре спекания, повышается пластичность частиц порошка, более интенсивно протекают процессы уплотнения порошков по сравнению с обычным прессованием. Горячим прессованием (а им может быть любой из известных способов формования) получают изделия из труднодеформируемых порошковых материалов.
Композиционные и порошковые материалы
... (сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения). Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно ... деталей. Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07–0,09. Подшипники из железографита применяют при допустимой нагрузке не более 1000–1500 МПа и максимальной тем ...
Динамическое прессование —это формование заготовок с использованием импульсных нагрузок, отличающееся высокой скоростью их приложения. В качестве источника энергии используют: взрыв заряда взрывчатых веществ, импульсное магнитное поле, сжатый газ и т. д. Высокоскоростное прессование в настоящее время используется при изготовлении высокоплотных крупногабаритных заготовок из труднодеформируемых металлических порошков и порошков керамических материалов.
Спекание и окончательная обработка порошковых изделий
Только прессованием порошка получить изделие достаточной прочности невозможно. На поверхности частиц порошка образуются оксиды и всегда есть загрязнения, препятствующие возникновению металлических контактов. В силу упругих свойств частиц порошка велико их сопротивление деформированию. Поэтому для повышения прочности и твердости изделий заготовки подвергают спеканию.
Операция спекания состоит в нагреве и выдержке заготовок при температуре, составляющей 0,7…0,8 от абсолютной температуры плавления основного компонента спекаемой композиции. Средняя продолжительность выдержки составляет 1…2 ч.
При спекании заготовок протекают такие сложные физико-химические процессы, как диффузия, восстановление поверхностных оксидов, рекристаллизация. Между частицами порошка возникают металлические контакты, а прочность их сцепления иногда достигает прочности сцепления кристаллов компактных металлов. Спекание сопровождается обычно некоторым уплотнением заготовок — усадкой, которая зависит от дисперсности исходного порошка, температуры и продолжительности спекания. При спекании снимаются остаточные напряжения в заготовках, изменяются их физические свойства и улучшаются механические характеристики. Для пред-‘ отвращения окисления частиц порошка спекание проводят в вакууме или в защитной атмосфере (водорода, оксида азота, генераторного газа и др.).
Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Спекание в твердой фазе производится при температуре, меньшей температуры плавления компонентов смеси, при спекании же в жидкой фазе — при температуре, превышающей температуру плавления одного или нескольких компонентов исходного материала. Спекание в жидкой фазе позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных явлений, приводящих к закрытию пор.
Процесс спекания заготовок в зависимости от температурного режима условно делят на три этапа. На первом этапе (до 150 °С) наблюдается некоторое увеличение прочности и незначительная усадка заготовки, что объясняется испарением адсорбированной воды с поверхности частиц. Происходит увеличение электросопротивления и интенсивная релаксация остаточных напряжений в заготовке. Второй этап (до 0,5ТПЛ) характеризуется дальнейшей релаксацией упругих напряжений, что вызывает изменение площади контактов и уменьшение плотности заготовок. На третьем этапе (при температурах, несколько больших температур рекристаллизации для данного металла) происходит сглаживание свободных и контактных поверхностей частиц, контакты между сросшимися зернами расширяются и становятся металлическими вследствие высоких скоростей диффузии и окончательного восстановления оксидов.
Нагрев заготовок при спекании осуществляют в печах различного типа, работающих периодически или непрерывно. Печи периодического действия применяют при небольшом выпуске порошковых изделий. Они бывают колокольного типа, муфельные и шахтные. При массовом производстве изделий используют методические печи непрерывного действия: конвейерные, рольганговые, с шагающим подом, толкательные.
При необходимости порошковые изделия подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, термической и химико-термической обработке, повторному спеканию, повторному прессованию.
Калиброванием можно получать изделия с погрешностью размеров 0,0005…0,01 мм. Порошковое изделие продавливают через отверстие в стальных пресс-формах специальной конструкции. При этом происходит не только уточнение размеров, но и уплотнение и полировка поверхностного слоя изделий, повышается их износостойкость.
Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование и т. д.) применяют в тех случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных форм и размеров, для нарезания внутренних и наружных резьб, получения узких, но глубоких отверстий и т. д. При обработке резанием используют хорошо заточенный и доведенный инструмент, оснащенн o й пластинками из твердого сплава или алмаза.
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.
Эффективность технологии порошковой металлургии
Применение методов порошковой металлургии для изготовления изделий позволяет достигать высокой производительности труда и значительной экономии средств в народном хозяйстве страны. Экономия достигается за счет получения изделий высокой прочности, рационального использования металла, снижения его потерь, повышения качества изделий, создания новых прогрессивных деталей и др.
Если обычное изготовление деталей на металлорежущих станках сопровождается потерями до 20…80% металла, связано с необходимостью выполнения большого числа технологических операций и значительными трудозатратами, то получение изделий методами порошковой металлургии отличается тем, что при числе операций 3…5 отходы металла составляют всего 5…10%. Кроме того, производство порошковых изделий сосредоточено в основном на одном предприятии, не требует большого станочного парка и высокой квалификации рабочих. Изготовление деталей обычного состава методами порошковой металлургии дает возможность уменьшить по сравнению с обработкой резанием удельный расход металла в 3…5 раз, трудозатраты — в 2…8 раз, себестоимость изготовления деталей — в 1.5…3 раза и повысить производительность труда в 1,5…2 раза.
Образующиеся на машиностроительных заводах при обработке деталей из различных металлов резанием отходы в виде стружки и шлама представляют собой хорошее сырье для производства различных деталей машин и приборов. В основном около 50 % стружки, спрессованной в брикеты или пакеты, используется в сталеплавильном производстве. Часть стружки перерабатывается в порошок. В нашей стране разработана технология измельчения стружки путем размола ее в мельницах в среде жидкого азота. Изделия, изготовленные из отходов методами порошковой металлургии, обладают в ряде случаев более высокой стойкостью, чем детали, полученные по обычной технологии.
Шлам, получающийся в результате отделочной обработки заготовок, является также ценным сырьем для порошковой металлур-гии. Так, отходы шлифования деталей шарикоподшипникового производства после их сушки и просева составляют основу для изготовления фрикционных дисков, работающих в условиях тяжелых нагрузок. Порошок, полученный из отходов после опиловки и обкатки подшипниковых шариков, может быть использован для изготовления конструкционных деталей общего назначения и т. д.
Многие изделия, изготовленные методами порошковой металлургии, обладают более высокими качествами, чем изделия, полученные традиционными методами. Так, стойкость инструмента из порошка быстрорежущей стали в 3-4 раза больше стойкости инструмента из литой стали. Новые инструментальные материалы на основе системы SisN4 — A12O3 по стойкости во многих случаях превосходят вольфрамо-титановые твердые сплавы.
Важной технологической операцией в производстве синтетических волокон является процесс фильтрации прядильного расплава непосредственно перед формованием волокон или нитей. Для предотвращения попадания в расплав различных инородных тел и других включений расплав перед формованием нитей подвергают фильтрации. Основные требования к фильтрующим материалам — достаточный срок их службы и качество фильтрации. Фильтрация расплава производится, как правило, с помощью металлической сетки и кварцевого песка. Но использование сеток гарантирует отделение лишь крупных примесей, а пыль, содержащаяся в кварцевом песке, засоряет капилляры фильер. Это приводит к необходимости останова машины и замены фильерного комплекта через каждые 100… 120 ч работы. Замена металлических фильтров пористыми из порошковых материалов обеспечивает повышение срока службы фильерных комплектов в 2-2,5 раза, а трудозатраты при перезарядке фильерных комплектов сокращаются вдвое.
Рост скоростей движения механизмов и нагрузок на детали и узлы современных машин обусловливает повышение требований, предъявляемых к материалам. Так, для торможения современного самолета в течение 30 с необходимо свыше 400 МВт энергии, а для остановки за 10 с автомобиля массой 2,5 т, движущегося со скоростью 180 км/ч,— более 220 кВт энергии. При этом теплота, выделяющаяся в тормозных узлах, должна рассеиваться до очередного торможения, в противном случае нарушается нормальный режим работы тормозов. Традиционные фрикционные материалы в подобных случаях не могут обеспечить требуемый режим работы узлов трения. Использование же порошковых фрикционных накладок в тормозных системах самолетов позволяет значительно уменьшить длину посадочных полос аэродромов, что обеспечивает получение большого экономического эффекта.
Порошковые антифрикционные материалы предназначены в основном для замены традиционных подшипниковых материалов и создания новых, не имеющих аналогов. Применение таких материалов позволяет увеличить в 1,5-3 раза срок службы узлов трения, достичь экономии материалов за счет полной или частичной ликвидации механической обработки при изготовлении деталей, снижения массы изделия и трудоемкости его изготовления.
Наиболее эффективна замена литых цветных металлов материалами на основе железного порошка.
Таким образом, порошковая металлургия позволяет решать вопросы, связанные с изготовлением материалов и изделий как с обычными, так и особыми свойствами. Эффективность порошковой металлургии повышается в условиях массового производства изделий. Так, в массовом производстве при изготовлении 1 тыс. т деталей методами порошковой металлургии экономится свыше 2000 т стали, высвобождается более 200 рабочих и 50 металлорежущих станков. С увеличением объема выпуска изделий себестоимость изготовления порошковых деталей снижается по сравнению с себестоимостью литых заготовок.
Заключение
Технология получения металлокерамических материалов и деталей состоит из ряда последовательных операций: получение металлических порошков, формование, спекание.
Совокупность основных и дополнительных технологических операций (резание, сверление, шлифование, калибрование и др.) позволяет решать с помощью порошковой металлургии две задачи:
Изготавливать материалы и изделия с особыми составами, структурой и свойствами, которые недостижимы другими методами производства;
Изготавливать материалы и изделия с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/osnovyi-poroshkovoy-metallurgii/
- Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия.— М.: Металлургия, 1980—496 с.
- Либенсон Г. А. Основы порошковой металлургии.— М.: Металлургия, 1975.— 198 с.
- Интернет ресурс : ru.wikipedia.org
