5. Основы порошковой металлургии

Порошковым твердым сплавом называется сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC, связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61 предусматривает две группы [8] металлокерамических (порошковых) твердых сплавов — вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама и кобальта, и титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама и кобальта.

Металлокерамические или порошковые твердые сплавы применяются при изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработке металлов резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и других целей, в том числе для износоустойчивых детален(клапанов насосов, работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов, разных направляющих) и измерительного инструмент.

Преимущества порошковых материалов:

1. Возможность получения материалов с резко отличающимися свойствами их составляющих: композиций из металлических и неметаллических композитов, из компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде (Fe-Pb, W-Cu и другие).

2. Получение материалов с особыми физическими характеристиками и структурой (пористые материалы).

3. Порошковые изделия получают в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей механической обработки.

4. В ряде случаев спечённые материалы имеют более высокие свойства, чем литые (например, быстро режущиеся стали, жаропрочные сплавы, Be-изделия и другие).

5. Возможность использования отходов производства.

Недостатки:

1. Изготовление деталей массового использования методом порошковой металлургии целесообразно лишь при больших масштабах производства (дорогое оборудование для получения и консолидации порошков).

2. Метод порошковой металлургии рекомендуется для изготовления изделий простой формы и не содержащих отверстий под углом к оси заготовок, внутренних полостей, выступов и т.д.

5.1. Способы получения и технологические свойства порошков

Металлокерамика, или порошковая металлургия – отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Сущность порошковой металлургии заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке – спеканию.

Порошковой металлургией можно получать детали из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь, железо и свинец и т. д.), пористые материалы и детали из них, детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5–500 мкм) различных металлов и их окислов. Порошки получают механическим и физико-химическим путем.

Для механического измельчения твердых и хрупких материалов применяют шаровые, вибрационные мельницы и бегуны. Порошки из пластичных и легкоплавких металлов и сплавов получают различными способами, основанными на раздуве жидкого материала струей воды или газа. Механическим путем, как правило, получают порошки из отходов основного производства.

К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление окислов металлов, электролиз и др.

Окислы металлов можно восстанавливать газообразными или твердыми восстановителями. Наибольшее практическое применение нашли газообразные углеродистые и углеводородистые соединения (природный газ, доменный, углекислый газ) и водород. Электролизом водных растворов солей получают тонкие и чистые порошки различных металлов и сплавов. Порошки из редких металлов (тантала, циркония, титана и др.) получают электролизом расплавленных солей. Режимы и технология изготовления порошков физико-химическим путем приведены в справочной литературе.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость.

Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5–4,0 мм в секунду.

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

Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

Основные термины и определения порошковой металлургии

Термины и определения порошковой металлургии регламентированы ГОСТ 17359–82. В настоящем разделе приводятся только основные термины, необходимые для обсуждения материалов и их характеристик, приведенных ниже.

1. Металлический порошок (МП) — совокупность частиц металла, сплава и металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

2. Прессуемость МП — способность МП образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, форму, плотность.

3. Формуемость МП — способность МП сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале значений пористости.

4. Формование металлического порошка — технологическая операция, в результате которой металлический порошок образует порошковую формовку. Формовка может осуществляться следующими методами:

• изостатическим — в эластичной или деформируемой оболочке в результате всестороннего сжатия в условиях нормальных или повышенных температур;

• импульсным — при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 с;

• мундштучным — продавливанием через отверстие, соответствующее по форме и размерам поперечному сечению порошковой формовки;

• шликерным — заполнением суспензией МП — шликером — пористой формы, обеспечивающей удаление жидкости из шликера;

• прессованием МП в пресс-форме, полость которой соответствует форме и размерам соответствующим, с учетом припусков, форме и размерам будущего изделия;

• прокаткой МП в прокатном стане или его штамповкой;

• экструзией МП.

5. Порошковая формовка — тело, полученное из МП и имеющее заданную форму, размеры и плотность.

6. Прессовка — порошковая формовка, полученная прессованием металлического порошка.

7. Спекание порошковой формовки или прессовки — нагрев и выдержка порошковой формовки (прессовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Спекание может проводиться как с появлением при спекании жидкой фазы (жидкофазное спекание), так и без нее (твердофазное спекание).

8. Порошковый материал — материал, изготовленный из МП или его смеси с неметаллическим порошком.

9. Порошковый твердый сплав — порошковый материал на основе металлоподобных твердых соединений с металлической связкой, обладающих твердостью свыше 80 HRA.

10. Порошковый тяжелый сплав — порошковый материал, имеющий плотность выше 16,5 т/м³.

11. Карбидосталь — порошковый материал, подвергшийся в отожженном состоянии обработке и состоящий из стали и карбидов с массовой долей от 20 до 70 %.

12. Кермет — порошковый материал, состоящий из тугоплавких оксидных соединений и тугоплавких металлов.

13. Фрикционный порошковый материал — порошковый материал для работы в тормозных и передаточных узлах машин и приборов.

14. Антифрикционный порошковый материал — порошковый материал для производства изделий, от которых требуются низкие потери на трение.

15. Конструкционный порошковый материал — порошковый материал для несущих деталей машин, приборов и механизмов.

16. Композиционный порошковый материал — порошковый материал, представляющий механическую смесь металлов или металлов и неметаллов, исключающих взаимную диффузию при спекании.

17. Пористый порошковый материал — порошковый материал» имеющий пористость, обеспечивающую его проницаемость при эксплуатации.

18. Порошковое изделие — изделие из металлического порошка.

19. Открытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор, сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

20. Закрытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор, не сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

Для определения степени пористости порошкового изделия, доли закрытой и открытой пористости необходимо провести ряд обязательных процедур. На первой стадии требуется определить плотность порошкового изделия.

Для тел простой формы плотность определяют измерением объема и взвешиванием. Определение объема изделий сложной формы осуществляют методом гидростатического взвешивания. Исследуемое изделие взвешивается в этом случае дважды — на воздухе и погруженное в жидкость.

Если масса тела на воздухе равна m₁, в жидкости — m₂, то разность (m₁ – m₂) равняется массе вытесненной жидкости m_ж. Зная эти величины и плотность жидкости d_ж можно вычислить объем порошкового изделия: V= (m₁– m₂)/d_ж и его плотность: d_т = m₁/V = m₁ d_ж/(m₁– m₂).

Определив плотность порошкового изделия, можно вычислить его общую (суммарную) пористость.

П = (1–d_т/d_ж)  100 %,

где d_т — плотность пористого тела: d_ж — плотность этого же тела в беспористом состоянии.

Для определения доли открытой и закрытой пористости в порошковом изделии используется метод, основанный на удалении газов в вакууме из порошковых изделий с последующей их пропиткой жидкостью известной плотности (обезгаженным маслом, ксилилом, бензоловым спиртом и т. п.). Расчет производится по формулам:

П = [1–(m₁/(m₂–m₃) d_к]  100%,

П = [(m₂–m₁) d_ж]/[(m₂–m₃)d_пж],

П_зак = П – П_отк

где П, П_отк, П_зак — соответственно общая, открытая и закрытая пористость; m₁, m₂, m₃ — масса непропитанного и пропитанного образца на воздухе и масса пропитанного образца в жидкости; d_к, d_пж — плотность беспористого материала и пропитывающей жидкости.