ФГБОУ ВПО Чувашский Государственный Университет им. И. Н. Ульянова

Электротехнический факультет ТРП.

Лабораторная работа 11

Порошковые материалы

Выполнил: ст. гр. ЭТ-51-11_____

___________________________

Проверил:__________________

___________________________

Г. Чебоксары 2012г.

Цель работы - изучение структуры и твердости прессовок после формовки и спекания.

1. Необходимые исходные сведения

Порошковыми называются материалы, изготовляемые путем прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания их в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0,7-0,9Т_ПЛ. Отрасль тех­нологии, занимающаяся производством металлических порош­ков и изделий из них без расплавления, называется порошковой металлургией.

Технологическая схема получения изделий из порошков включает следующие процессы:

• получение порошков и подготовка порошковой шихты (чистка, сортировка по фракциям, смешивание порошков раз­ных компонентов, если требуется, и т.д.);

• формование порошковых заготовок под давлением;

• спекание заготовок;

• окончательная обработка (механическая обработка резани­ем, калибровка, термообработка и другие виды, если требуется).

Порошковая металлургия имеет ряд преимуществ перед традиционными методами получения форм заготовок (литье, штамповка и др.)

По этой технологии возможно:

• изготовлять изделия из разных материалов, с разными фи- зико-химическими свойствами;

• получать заданные специфические свойства изделий, сложные формы;

• организовать безотходное, экологически чистое производство.

Для многих изделий порошковые материалы являются един­ственно возможным способом их получения. Например, изделия из тугоплавких металлов - W, Mo, Nb (тонкая проволока для ламп накаливания, детали вычислительной техники, радиоэлек­троники, твердосплавные пластины из карбидов W, Мо)

Краткая характеристика порошков. Изготовление метал­лических порошков в основном осуществляется на металлурги­ческих комбинатах, а изделия из них - на специальных заводах или на машиностроительных предприятиях.

Порошки получают физико-химическим или механическим способом.

Физико-химический способ заключается в восстановлении металлов из разных соединений или электролитическом осаж­дении металлов из растворов. Форма частиц по этим способам получается губчатая, сферическая либо тарельчатая.

Механическим способом металлы (или их отходы) измель­чают либо размолом в мельницах (форма частиц — тарельчатая), либо распылением жидкого металла азотом, аргоном (форма частиц - сферическая, каплеобразная).

Ни один из этих способов не дает частиц одинаковых раз­меров, поэтому порошки сортируют по фракциям. Кроме того, порошки чистят от примесей (магнитная сепарация, промывка) и подвергают восстановительному отжигу с целью удаления ок­сидной пленки с поверхности порошинок и снятия наклепа.

Промышленность выпускает порошки чистых металлов ( Fe, Си, Sn, Ni, Ti, W и др.), карбидов ( WC, VC, ТаС, TiC), сплавов на основе Fe, Cr, Ni, Mo, W и оксидов (А1₂0₃, Fe₂0₃ и др.).

В зависимости от способа получения размеры частиц колеб­лются от 0,01 до 1000 мкм. Как видно, некоторые частицы соот­ветствуют по размерам наночастицам.

Качество порошковых материалов зависит во многом от формы, размеров, составов частиц порошков, которые в свою очередь зависят от способа получения.

Порошки характеризуются химическим составом, физиче­скими свойствами (размеры, форма частиц, микротвердость, кристаллическая решетка) и технологическими свойствами (на­сыпная масса, текучесть, прессуемость, спекаемость).

Насыпная плотность - масса единицы объема свободно на­сыпанного порошка в граммах на кубический сантиметр (г/см³); зависит от формы и размеров частиц.

Текучесть - способность порошка равномерно заполнить форму за единицу времени; она снижается с уменьшением раз­ меров частиц и повышением влажности; оценивается количест­вом порошка, вытекаемого за 1 с через отверстие 1,5-4 мм.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уп­лотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцеп­ления частиц после прессования; зависит от пластичности мате­риала, формы и размеров частиц и повышается с введением в состав порошка поверхностно-активных веществ.

Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц порошка при нагреве заготовок после формования до опреде­ленной температуры и выдержке при ней.

Ф ормование порошков. Для получения изделия заданной формы порошок определенного состава засыпается в пресс- форму (рис. 11.1) и подвергается давлению. В результате полу­чается изделие с некоторым уплотнением. Изделия после фор­мования называются прессовками. Форма прессовок определя­ется конфигурацией внутренней полости матрицы, которая со­ответствует форме будущего изделия.

Прессовки можно получать холодным и горячим прессова­нием, прокаткой, экструзией, другими методами. Но самым рас­пространенным является способ холодного прессования в за­крытых пресс-формах с последующим спеканием прессовок. В процессе прессования увеличивается поверхность контакта и сцепления частиц за счет их взаимного схватывания, а также за счет электростатических сил; увеличивается плотность, умень­шается пористость прессовки. Чем больше прикладываемое на порошок давление, тем больше уплотнение прессовок. Однако давление внутри порошковой массы по высоте и площади сече­ния неравномерное. Причиной этому является влияние сил тре­ния стенок пресс-формы и поверхности пуансона, перпендику­лярной к направлению действующей нагрузки. Этим объясняет­ся то, что по высоте плотность прессовки выше в зоне действия пуансона, а по площади сечения - в верхней части плотность выше на краях прессовки, а в нижней - в центре.

Спекание прессовок. Площадь поверхности контакта частиц и уплотнение порошка после формования прессовки еще незна­чительны, поэтому прочность невысока. Повышение прочности и плотности прессовок происходит при спекании.

Спекание - решающая операция в формировании заданных свойств порошкового изделия. Технологические режимы при спекании должны быть следующими:

• Т_спек ⁼ 0,7-0,9 Т_т материала порошка, если он однокомпо- нентный; если порошок многокомпонентный, то спекание (твердофазное) производится при значении температуры ниже самого низкоплавкого компонента;

• время выдержки т колеблется от 30 до нескольких часов, что зависит от состава и габаритов прессовки;

• атмосфера, в которую помещается прессовка, должна быть или защитной от кислорода, или восстановительной (азот, водо­род, графит, вакуум).

При спекании происходит ряд процессов. На первой стадии при нагреве происходит восстановление и разрушение оксидной пленки на поверхности частиц. Поверхность частиц освобожда­ется от «оксидного барьера». Одновременно снимается и наклеп поверхности частиц, если он образовался при формовании. При дальнейшем увеличении температуры и времени выдержки прессовок происходит активация диффузионных процессов ме­жду частицами, площадь контакта между ними увеличивается. Частицы больше стягиваются, сращиваются, пористость умень­шается. Все это приводит к увеличению прочности и плотности изделия. После спекания прессовки не всегда становятся гото­выми изделиями, по мере необходимости их подвергают допол­нительным видам обработки.

Для доводки изделий по размеру их можно подвергнуть ме­ханической обработке резанием, калибровке. Для повышения механических свойств прессовки могут подвергаться химикотермической обработке, закалке и отпуску.

При всех видах дополнительной обработки порошковых ма­териалов необходимо учитывать, что это не монолитный металл, а пористый. Максимальное увеличение механических свойств порошковых изделий обеспечивается при снижении пористости < 1%. Спекание не может снизить пористость до этого уровня.

С целью дальнейшего повышения механических свойств часто применяют горячее прессование (совмещение формования и спекания) либо 2-3-кратный цикл прессования и последующе­го спекания, либо горячую штамповку или ковку непосредст­венно после спекания.