МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

(СПбГМТУ)

Кафедры технологии судового машиностроения и

материаловедения и технологии материалов

Свойства металлических порошков и порошковых материалов

Методические указания

к лабораторным работам

Санкт-Петербург

2013 год

Методические указания предназначены для студентов СПбГМТУ, обучающихся по направлениям 151000, 151900 и 151001. Они служат пособием при подготовке и выполнении лабораторных работ и практических занятий по дисциплинам: «Производство заготовок», «Технологические основы производства порошковых и композиционных материалов» и «Процессы и операции формообразования».

МАКСИМЕНКО

Валентин Павлович

ВВЕДЕНИЕ

Среди современных технологий значительная роль в создании новых материалов и сплавов отводится порошковой металлургии. Используемые в настоящее время методы и технологические приемы порошковой металлургии позволяют получать изделия, не уступающие литым и кованым деталям того же химического состава и создавать новые сплавы и детали со свойствами, которые не могут быть получены обычными методами.

Важными направлениями, определяющими развитие порошковой металлургии являются: - разработка высокопроизводительных методов производства высококачественных и дешевых металлических порошков и в первую очередь железных;

- совершенствование разнообразных вариантов горячего прессования, всестороннего (изостатического) прессования, шликерного формования, динамического прессования, прокатки порошков и т.д.;

- получение композиционных порошковых материалов и изготовление из них изделий со специальными свойствами;

- упрочнение деталей машин и приборов методами напыления порошковых металлов и сплавов.

Основой порошковой металлургии является производство металлических порошков и порошков сплавов.

Металлические порошки - это совокупность частиц металла, сплава и металлоподобного соединения размером до одного миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

В промышленности разработано много методов производства металлов в порошковой форме, технология которых определяет форму и размер частиц, их свойства.

Для получения деталей требуемой формы и размеров в порошковой металлургии используют следующие основные технологические операции: -приготовление порошковой смеси заданного химического и гранулометрического состава;

- прессование-формование, под которым понимается создание из сыпучего порошкового конгломерата частиц относительно прочной заготовки;

- термическая обработка - спекание заготовок, в результате которой они приобретают необходимую прочность и определенные физико-химические свойства.

Под приготовлением порошковой смеси понимают создание такой порошковой шихты, которая отвечала бы после спекания в готовом изделии заданным свойствам. Для этого необходимо провести исследование свойств порошковых компонентов, определить их технологические и физико-химические параметры по методикам, предусмотренным ГОСТами, а после приготовления смеси определить химический состав.

Приготовленную порошковую смесь формуют, применяя следующие методы формования: - прессование в металлических прессформах;

- гидростатическое и газостатическое прессование металлического порошка, помещенного в эластичную оболочку;

- прокатка металлических порошков;

- мундштучное прессование;

- шликерное литье и т.п.

Прессование может производиться при статическом или динамическом приложении нагрузки, при комнатной температуре (холодное прессование) или при температурах выше температуры рекристаллизации (горячее прессование).

Наиболее распространенным методом формования является прессование в металлических прессфомах. Этим методом получают заготовки по форме и размерам соответствующие размерам готовых изделий (с учетом изменений их при спекании) и после спекания не требуется механическая обработка. Метод очень производителен и в зависимости от формы и массы детали позволяет за одну рабочую смену изготовлять от 800 до 5000 изделий.

При разработке технологического процесса прессования, выборе оборудования, конструировании прессформ необходимо знать ряд характеристик металлических порошков таких как, насыпная плотность, текучесть и прессуемость, которые регламентируются соответствующими ГОСТами. Насыпная плотность, например, учитывается при расчете высоты матрицы прессформы.

Большое влияние на качество прессовок оказывают равномерность заполнения порошком полости прессформы, способность порошка под действием приложенного давления приобретать и сохранять заданную форму и т.п. Эти свойства порошков определяются их текучестью, т.е. способностью порошка заполнять полость прессформы, и прессуемостью. В свою очередь, обе эти характеристики зависят от природы металла частиц порошка, их формы, дисперсности и состояния поверхности частиц.

После прессования заготовки обладают низкими механическими свойствами, а их структура состоит из случайно распределенных частиц компонентов порошковой смеси. Поэтому для обеспечения заданной струк-туры и свойств заготовки подвергают термической обработке (спеканию).

В связи с тем, что частицы порошков обладают очень большой удельной поверхностью, они очень активны, поэтому все операции, связаные с нагревом порошков и заготовок из них, а также термической обработкой готовых порошковых изделий проводят либо в вакууме, либо в защитных или восстановительных средах (диссоциированный аммиак, водород и др.).

Такие среды могут быть взрывоопасными, токсичными, содержащими окись углерода и др. и работа с ними требует строго соблюдения мер техники безопасности.

Наличие в спеченных порошковых изделиях пористости накладывает определенные требования на методику исследования их механических свойств. Так, например, в качестве образцов для испытаний на ударную вязкость используют порошковые образцы без надреза. При определении твердости необходимо учитывать, что мы определяем твердость не в сплошном материале, а в матрице, содержащей поры. Поэтому испытания необходимо проводить на малых нагрузках. И полученные значения твердости будут представлять собой не истинную твердость, а некую среднюю величину, зависящую от количества пор, их формы и размеров.

При исследовании свойств спеченных металлов и сплавов широкое использование находят методы, при изучении литых и кованых металлов и сплавов. Так, например, при изучении механических свойств применяются методы испытаний на растяжение (ГОСТ 18227-72) и изгиб (ГОСТ 18228-72). В то же время методики исследования механических свойств имеют некоторые отличия от методик, принятых при исследовании литых металлов. Большое значение при исследовании спеченных материалов имеет металлографический анализ, с помощью которого изучают внутреннее строение: размеры и форму пор, фазовый состав и взаимное расположение зерен фаз и т. п.

Расчетами и практикой установлено, что для получения достоверных данных испытание должно проводиться многократно (на образцах не менее 5-7 раз) с последующей статистической обработкой.

В методических указаниях к лабораторным работам приведены методики определения характеристик порошков, технологических процессов и свойств порошковых материалов, широко используемых в практике порошковой металлургии.

Внимание!

Перед выполнением лабораторных работ по порошковой металлургии студент обязан: - изучить технику безопасности (приложение 1);

- сдать тест по технике безопасности;

- расписаться в журнале по технике безопасности;

- строго соблюдать требования по технике безопасности при выполнении работ.

Лабораторная работа 1

Форма и размер частиц порошка

1. Цель работы

1. Изучить формы и определить размеры металлических порошков, полученных различными методами.

2. Познакомиться с методами и оборудованием для изучения формы и размеров частиц.

2. Задание

1. Изучить устройство инструментального микроскопа.

2. Изучить форму (сделать фотографии или рисунки) и измерить размеры частиц порошка.

3. Общие сведения

В зависимости от химической природы металла и способа получения частицы порошка могут иметь различную форму: - сферическую (карбонильные);

- губчатую (восстановленные);

- дендритную (электролитические);

- тарельчатую (порошки, полученные на вихревых мельницах);

- осколочную (при размоле на шаровых мельницах),

- каплеобразную или сферическую (при распылении металлов и сплавов в жидком состоянии);

- волокнистую и лепестковидную (полученный при плющении).

Форма частиц порошков оказывает большое влиянии на их насыпную плотность и прессуемость, а также на плотность, прочность и однородность прессовок.

Наименьшую насыпную плотность и наибольшую прочность прессовок дают порошки, имеющие частицы дендритной формы. Наоборот, порошки с частицами сферической формы показывают максимальную насыпную плотность, но плохо прессуются, а для получения прессовок достаточной прочности требуют больших давлений.

Порошки с чешуйчатой формой частиц очень плохо прессуются, а полученные из них прессовки склонны к растрескиванию и расслоению.

Волокнистые порошки в порошковой металлургии применяются редко. Они плохо прессуются и дают неоднородные прессовки.

Для изучения формы частиц применяют микроскопы, с помощью которых рассматривают частицы порошка на предметном столике в проходящем свете.

Так как частицы очень тонких порошков склонны к слипанию, что искажает представление о форме и размерах частиц, пробы порошка перед изучением должны смачиваться скипидарным маслом и слегка растираться на предметном стекле.

В зависимости от размера частиц порошки классифицируются на ультратонкие, с размером частиц менее 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) – от 150 до 500 мкм.

Размер частиц можно определять с помощью биологического, инструментального, металлографического или электронного микроскопов.

Для частиц, близких к равноосным, измеряют поперечник в двух взаимно перпендикулярных направлениях и подсчитывают среднюю арифметическую величину; для частиц плоских и волокнистых измеряют только максимальные размеры.

4. Контрольные вопросы

1.Какие методы используются для получения металлических порошков в промышленности?

2.Какие свойства исходных материалов и расплавов влияют на форму получаемых порошков?

3.Какие управляемые параметры технологических процессов получения металлических порошков оказывают влияние на форму частиц?

4.Какое влияние оказывает форма частиц на процесс прессования металлических порошков?

5.Каким образом влияет форма частиц металлических порошков на свойства спеченных порошковых материалов?

5. Порядок выполнения работы

1. Получить задание у преподавателя на выполнение лабораторной работы.

2. Познакомиться с техникой безопасности при выполнении лабораторной работы.

3.Получить металлические порошки. Работа выполняется на порошках: железном восстановленном марки ПЖ4М2, медном электролитическом марки М1,бронзе гранулированной марки Бр.О10-1, распыленной водой низкого давления, латуни марки Л60, распыленной водой высокого давления, быстрорежущей стали марки Р6М5, распыленной азотом.

4. Для выполнения работы необходимо иметь: порошки, микроскоп инструментальный, предметные стекла, скипидарное масло.

5. Нанести на предметное стекло тонкий слой скипидарного масла, растереть, а затем поместить пробу порошка на стекло, не допуская слипания частиц. Поместить стекло на предметный столик микроскопа и изучить форму частиц, зарисовать их.

6. Используя отсчетное устройство столика инструментального микроскопа, измерить размеры 25 частиц каждого порошка. Подсчитать средний размер частиц в микронах.

7. Оценить степень точности полученных результатов, определив среднюю квадратичную ошибку (см. приложение 2).

8. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы, составить отчет.

9.Защитить лабораторную работу.

Лабораторная работа 2

Гранулометрический состав порошков