Порошковая металлургия

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия

Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую

совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных

соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с

неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая

металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только

изделия различных форм и назначений,но и создавать принципиально новые

материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно.

У таких материалов можно получить уникальные свойства, 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.

[pic]

Рис1.Схемы движения шаров в мельнице:а-режим скольжения,б-режим

перекатывания, в-режим свободного скольжения,г-режим критической скорости.

[pic]

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:L1000 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-

рошок

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-

вов

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

q=cJT

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

Страницы: 1, 2