Применение порошковой металлургии в промышленностиСвойства и получение порошковых материалов

Введение
Порошковая металлургия занимается изготовлением металлических порошков и разнообразных изделий из них. Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода материалов является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуются (формуются) в изделия заданных размеров и подвергаются термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты /1/.
Порошковая технология – это широкая область получения дисперсных тел, применяемых в разнообразных отраслях производства – порошковой металлургии, керамической промышленности, получении пищевых и лекарственных продуктов, удобрений, топлива, строительных материалов и др. /2/. Вследствие некоторого внешнего сходства технологии порошковой металлургии с технологией керамического производства, изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, широко известны также под названием металлокерамических.
Основными элементами технологии порошковой металлургии являются следующие:
получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные 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, придающее им окончательные физико-механические и другие
специальные свойства.
В производственной или исследовательской практике иногда встречаются отклонения от этих типичных элементов технологии, например совмещение операций прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленными металлами, дополнительная механическая и другая обработка спеченных изделий и пр. Однако основной принцип технологии – применение исходной порошковой шихты и спекание ниже температуры плавления основного элемента, образующего спрессованное тело – остается неизменным /1/.
Метод порошковой металлургии обладает рядом преимуществ:
возможность изготовления материалов, содержащих наряду с металлическими составляющими и неметаллические, а также материалов и изделий, состоящих из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов;
возможность получения пористых материалов с контролируемой пористостью, чего нельзя достигнуть плавлением и литьем.
Наряду с преимуществами порошковой металлургии следует отметить и недостатки, затрудняющие и ограничивающие широкое ее распространение. К основным недостаткам следует отнести высокую стоимость порошков металлов и отсутствие освоенных методов получения порошков сплавов – сталей, бронз, латуней и пр. Изделия, получаемые из металлических порошков, вследствие пористости обладают повышенной склонностью к окислению, причем окисление может происходить не только с поверхности, но и по всей толщине изделия. Металлокерамические изделия обладают также сравнительно низкими пластическими свойствами (ударная вязкость, удлинение) /3/.
1 Методы изготовления порошковых материалов
Порошковый материал – совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения с размерами до 1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой /4/.
Все сыпучие тела состоят из частиц и межчастичных (внешних) пор. Частицы порошков, в свою очередь, могут подразделяться на более мелкие структурные элементы. Металлические частицы практически всегда содержат примеси, распределенные как по поверхности, так и в виде внутренних включений, и часто имеют внутричастичные поры.
Частицы могут иметь самую разнообразную форму. Можно подразделить различные структуры на три основные группы:
волокнистые или игольчатые частицы, длина которых значительно превышает их размер по другим измерениям;
плоские частицы (пластинки, листочки, таблицы), длина и ширина которых во много раз больше толщины;
равноосные частицы с примерно одинаковыми размерами по всем измерениям.
Частицы отделены одна от другой порами (межчастичными) и контактными промежутками. Поры в непрессованных порошках занимают обычно 70-85% всего объема. Кроме пор межчастичных, порошки могут иметь и внутричастичные поры. Размер межчастичных пор увеличивается с повышением размера частиц и уменьшением плотности их укладки.
Вследствие значительного размера удельной поверхности количество поверхностных примесей на единицу массы (главным образом окислов) у порошков, особенно тонких, значительно больше, чем у компактных тел. В порошках также имеются и внутричастичные примеси – включения загрязнений, окислов и т.п. Возможно также механическое загразнение порошков отдельными частицами примесей /5/.
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 металлических порошков путем восстановления из оксидов является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным методом /6/.
Восстановление – процесс получения металла, материала, вещества или их соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода или солевого остатка) из исходного химического соединения /4/.
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 /6/.
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) /4/.
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 /6/.
2 Методы контроля свойств порошков
2.1 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.--PAGE_BREAK--
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 ПДК /7/.
Согласно заданию дан порошок ПХ30-1, полученный методом восстановления. Его химический состав: 70% железа, 30% хрома.
2.2 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.
Гранулометрический состав. Размер частиц является важнейшей технологической характеристикой порошков. Величина частиц, а особенно так называемый набор зернистости, т.е. соотношение количества частиц разных размеров (фракций) выраженное в процентах, называется гранулометрическим составом. Данные по гранулометрическому составу входят в качестве обязательного требования к техническим условиям на порошки.
От размера частиц порошков в сочетании с другими свойствами зависят насыпная плотность, давление прессования, усадка при спекании,
механические свойства готовых изделий.
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 /8/.
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 /4/.
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/.
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 /6/.
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 /4/.
2.3 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 /8/.
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 /7/.
По заданию дан порошок марки ПХ30-1, насыпная плотность которого составляет 2,14 г/см3.
3 Основные закономерности прессования
3.1 Расчет давления прессования
Для расчета давления прессования целесообразно использовать уравнение М. Ю. Бальшина:
/>
где Pmax [МПа]– давление прессования, необходимое для получения беспористого тела.По физической сущности оно равно давлению истечения материала и соответствует твердости наклепанного упрочненного металла.
Pmax = 2100 МПа;
m – коэффициент, учитывающий природу прессуемого материала и называется показатель прессования.
m = 4,1;
β – относительный объем прессовки, связанный с относительной плотностью.
/>
Плотность компактного материала рассчитывается:
γк = 0,30 γCr + 0,70 γFe
где γCr = 7,19 г/см3
γFe = 7,874 г/см3
Тогда:
γк = 0,30 ∙ 7,19 + 0,70 ∙ 7,874 = 7,67 г/см3
Пористость рассчитывается по формуле:
/>
Отсюда: γпресс =γк — П·γк
П = 24% = 0,24
γпресс = 7,67 – 7,67∙0,24 = 5,829
Рассчитав γпресс и γк можно найти γотн:
γотн = 5,829 / 7,67 = 0,76
Следовательно: β = 1 / 0,76 = 1,32
Используя найденные показатели можно рассчитать давление прессования:
Р = 2100 / 1,32 4,1 = 673 МПа
/>3.2 Расчет высоты матрицы прессформы
/>Изделие:
Рисунок 1 – Схема простейшей прессформы для ручного прессования
D1 = D + 2a
D = d = 24 мм, а = 20 мм
Тогда D1 = 24 + 2∙20 = 64 мм
Рассчитываем высоту матрицы прессформы:
/>,
h = 24 мм, lдоп = 20 мм, γнас = 2,14 г/см3
Тогда Н = 5,829/2,14 ∙ 24 + 20 = 64 мм     продолжение
--PAGE_BREAK--
hп =H+hдоп
hдоп= 5 мм
hп = 85,4 + 5 = 90,4 мм
При давлении прессования 673 МПа выбираем антифрикционный материал – 5К6.
3.3 Расчет массы навески порошка
Масса навески порошка рассчитывается формуле:
m=0,79d3γк
где d – диаметр отверстия матрицы прессформы
Тогда m = 0,79∙2,43∙7,67 = 6,06 г
3.4 Выбор прессформы
Основным приспособлением при прессовании металлических порошков является прессформа. Конструкция пресс-формы определяется такими факторами, как характер приложения давления при прессовании – одностороннее или двухстороннее; применяемый способ извлечения изделия из пресс-формы – выталкивание или разборка пресс-формы; количество одновременно прессуемых изделий – одно или многоместная пресс-форма; и, наконец, метод работы – индивидуальное прессование с ручной распрессовкой или применение полностью автоматизированного процесса.
Для данного порошка выбираем разборную прессформу с односторонним прессованием.
/>
Рисунок 2 – разборная прессформа
1 – башмак; 2 – крепежный болт; 3 – щеки; 4 – пунсон; 5 – подкладка; 6 – прессовка.
Прессформа состоит из матрицы, пунсона и подставки. Матрица служит для вмещения порошка и формирования боковой поверхности прессовки. Пунсон – подвижная часть, служащая для формирования верхней поверхности прессования и обжатия порошка. Подставка служит для формирования нижней поверхности и предохраняет порошок от высыпания из прессформы. Разборные прессформы применяют при прессовании заготовок сложной формы. Разборная прессформа собирается в специальном башмаке и прочно в нем закрепляется. Прессовка удаляется после разборки прессформы /3/.
4 Технологические режимы спекания
Спекание – это нагрев и выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Под спеканием понимают термическую обработку, приводящую к уплотнению свободно насыпанной или спрессованной массы порошка. Спекание сопровождается протеканием физико-химических процессов, которые обеспечивают большее или меньшее заполнение пор.
Для однокомпонентных систем технологическая температура спекания составляет 0,6-0,9 от температуры плавления основного компонента.
Многокомпонентные системы спекают при температуре, равной или немного большей, чем температура плавления наиболее легкоплавкого компонента.
Спекание является заключительной технологической операцией, которая и определяет сущность метода порошковой металлургии. В процессе проведения спекания порошковая формовка превращается в прочное порошковое тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного беспористого материала.
Во время спекания происходит:
изменение размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел;
протекают процессы граничной, поверхностной и объемной диффузии;
наблюдается различные дислокационные явления;
осуществляется перенос через газовую фазу;
протекают химические реакции и различные фазовые превращения;
имеет место релаксация микро- и макронапряжений;
идут процессы рекристаллизации, т.е. наблюдается рост зерна материала /4/.
Согласно заданию был предложен порошок марки ПХ30-1, который относится к многокомпонентной системе. Температуры плавления основных компонентов:
tплавFe=1539oС
tплавCr=1890oС
Выбираем температуру спекания приблизительно равной температуре плавления самого легкоплавкого компонента — температуру плавления железа tплавFe=1539oС. Спекание проводим в вакууме. Температура спекания выше 1200oС, следовательно, время выдержки составляет 4 часа.
5 Применение порошковых материалов
Методом порошковой металлургии можно получить такие электротехнические материалы и сплавы, которые трудно или совершенно невозможно получить другими известными способами. Например, различные сплавы из металлов, не сплавляющихся между собой: вольфрам-медь, вольфрам-серебро и т.п., а также из металлов и неметаллов: медь-графит, серебро-окись кадмия и т.д., которые находят широкое распространение в электро- и радиотехнике.
Методом порошковой металлургии можно также получить сплавы с точно заданным составом, обладающие очень низким и очень высоким электросопротивлением.
Металлокерамические материалы применяют в электро- и радиовакуумной промышленности при изготовлении ламп накаливания, в рентгеновских трубках, катодных лампах, выпрямителях и усилителях, генераторных лампах, кенотронах, газотронах и т.д. Так, например, для изготовления нитей накаливания обычных осветительных электроламп применяется вольфрам, получаемый методами порошковой металлургии.
Широкое внедрение в промышленность электронагрева различных материалов внесло значительное изменение в технологию производства. В развитии электронагревательных злементов большая роль принадлежит металлокерамическим материалам.
Промышленное использование высоких потенциалов выдвигает необходимость в разработке контактных устройств из тугоплавких материалов, которые должны обладать высокой теплопроводностью и электропроводностью, иметь высокую степень прочности в условиях ударных нагрузок при высоких температурах, незначительную склонность к свариванию и прилипанию. Изготовление контактных материалов, обладающих таким сочетанием свойств, возможно только методами порошковой металлургии /9/.
Современные резцы из твердых сплавов, полученные методом порошковой металлургии, вызвали подлинную революцию в обработке металлов резанием и в горном деле. Скорость обработки металлов увеличилась в десятки раз.
Успешно применяются в промышленности различные металлокерамические антифрикционные материалы, а также пористые подшипники, фильтры и многие другие изделия /3/.
Заключение
Согласно варианту задания был дан порошок марки ПХ30-1, из которого требуется изготовить деталь методом порошковой металлургии цилиндрической формы с заданными размерами: d = 24 мм, h = 24 мм.
Данный порошок содержит 70% железа и 30% хрома, насыпная плотность составляет γнас = 2,14 г/см3.
Изделие изготавливается методом одностороннего прессования в разборной прессформе с размерами D = 24 мм,D1 = 64 мм, H = 64 мм, hп = 90,4 мм. матрица и пуансон прессформы изготовлены из антифрикционного материала – 5К6. Давление прессования составляет 673 МПа.
Спекание проводят в вакууме при температуре 1539oС в течение 4 часов.
Изделия, изготавливаемые из данного образца, находят разнообразные области применения.
Список использованных источников
Федорченко И. М. Основы порошковой металлургии.– Киев: Издат. Академии наук Украинской ССР, 1961
Андреевский Р. А. Порошковое материаловедение.– М.: Металлургия, 1991
Цукерман С. А. Порошковая металлургия.– М.: Издат. Академия наук СССР, 1958
Курс лекций
Бальшин М. Ю. Порошковое металловедение.– М.: Металлургиздат, 1948
Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1991
Методические указания
Ермаков С. С., Вязников Н. Ф. Порошковые стали и изделия. – 4-е изд. перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленинград. отд., 1990
Вязников Н.Ф., Ермаков С.С. Применение порошковой металлургии в промышленности. – М.: Гос. научно-технич. издат. машиностроит. литературы, 1960