2.3. Порошковая металлургия.

Порошковая металлургия – это технология производства порошков, а также изготовление из порошков заготовок и деталей. Принципиальным отличием порошковой металлургии от литья является то, что в процессе спекания - окончательной операции получения материала (заготовки, детали) - по крайней мере, один из компонентов находится в твердом состоянии.

Порошковая металлургия используется для получения изделий из черных и цветных металлов, композиционных материалов. Эта технология позволяет получать изделия сложной формы. В ряде она является единственно возможной - для получения сплавов, с высокими температурами плавления отдельных компонентов, или содержащих компоненты, разлагающиеся при нагреве в обычной атмосфере еще до их расплавления (например, карбида вольфрама).

Основными технологическими процессами порошковой металлургии являются:

- получение порошков;

- приготовление смесей;

- формование заготовок;

- спекание.

2.3.1. Получение порошков и приготовление смесей.

Способы получения порошков в зависимости от природы сырья подразделяют на механические и физико-химические. Эти технологии могут сочетаться.

Механические способы не изменяют химического состава сырья, их используют для его измельчения (стружки, обрезков металла и т.п.). Измельчение проводится в механических мельницах. Размолом получают порошки сплавов со строго заданным составом. Размол эффективен для получения порошков хрупких материалов (например, кремний). К механическим методам относится также распыление расплавленного металла струей нейтрального газа или жидкости. Так, в частности, получают порошок для изготовления порошковых быстрорежущих сталей.

При производстве порошков физико-химическими методами происходит изменение химического состава сырья. Эти методы более универсальны, чем механические. В ряде случаев они весьма экономичны. Так, можно использовать окалину для получения железных порошков путем ее восстановления. Кроме того, порошки некоторых материалов (например, карбидов тугоплавких металлов при производстве твердых сплавов) могут быть получены только физико-химическими методами.

Так, например, вольфрама получают, проводя последовательные реакции получения оксида вольфрама – чистого вольфрама – карбида вольфрама; исходный продукт – вольфрамовая кислота: H₂WO₄®WO₃+H₂O; WO₃+3H₂®W+3H₂O и, наконец, 2W+C₂H₂®2WC+H₂.

Наиболее распространенный метод приготовление смесей - размол в шаровых мельницах. При этом происходит измельчение порошков, а в многокомпонентных системах и их перемешивание с целью получения однородной массы.

2.3.2. Формование заготовок.

Формование для последующего спекания может осуществляться различными методами: прессование в пресс-формах, гидростатическое прессование, мундштучное прессование (метод шприцевания или выдавливания), шликерное литье (отливка суспензий).

Наиболее распространенной технологией в порошковой металлургии является прессование в прессформах.

При прессовании заготовок (например, твердых сплавов) в смесь вводят специальные вещества - пластификаторы, облегчающие скольжение частиц друг относительно друга и стенок пресс-формы, что способствует большей степени уплотнения смеси. В качестве пластификаторов используют раствор синтетического каучука в бензине, парафин. Кроме того, пластификаторы придают заготовкам некоторую прочность за счет склеивания частиц порошка между собой. Такие заготовки можно обрабатывать резанием либо непосредственно после формования, либо после предварительного спекания – при температурах, более низких, чем температура окончательного спекания, они имеют большую пористость, облегчающую обработку резанием. Это позволяет изготавливать изделия сложной формы, что важно для материалов, которые после окончательного спекания имеют высокую твердость (твердые сплавы).

Мундштучное прессование используют для получения труб, прутков и других длинномерных изделий. При этом порошок с пластификатором (парафином, поливиниловым спиртом, крахмалом и др.), помещенный в контейнер, выдавливается из него пуансоном через отверстие в мундштуке.

С помощью шликерного литья получают сосуды и изделия сложной формы. Шликер представляет собой однородную концентрированную взвесь порошка (40…70%) в жидкости (вода, спирты, и др.), в его состав входят также добавки (кислота, щелочь). Форма для заливки шликера должна быть пористой, тогда при заливке жидкость впитывается в поры, а частицы порошка оседают на стенках формы, образуя твердый слой. После удаления изделия из формы его сушат и окончательно спекают.

2.3.3.Спекание.

Спекание - заключительная технологическая операция порошковой металлургии, заключающаяся в нагреве и выдержке порошковой заготовки (формовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента. В процессе спекания происходит превращение пористого вещества в компактный малопористый или, в идеале, беспористый материал, что приводит к увеличению плотности, т.е. происходит уменьшение объема исходной дозированной смеси, ее усадка. Уменьшение пористости приводит к увеличению прочности материала.

Спекание может быть твердофазным или жидкофазным. При твердофазном спекании все компоненты материала находятся в твердом состоянии. При жидкофазном – в процессе спекания образуется жидкая фаза, существующая наряду с твердыми компонентами.

Температура твердофазного спекания составляет 0,7…0,9 от температуры плавления самого легкоплавкого компонента смеси. Монолитный материал получается за счет диффузии, при которой происходит соединение твердых частиц.

Жидкофазное спекание осуществляется при температуре, обеспечивающей появление жидкой фазы. В этом случае диффузионные процессы идут «через жидкость». В жидкости растворяются мелкие частицы тугоплавкого компонента, которые затем кристаллизуются на более крупных, играющих роль центров кристаллизации. Жидкофазное спекание, по сравнению с твердофазным, позволяет получать значительно более плотные изделия. Для жидкофазного спекания необходимо, чтобы жидкая фаза хорошо смачивала твердую фазу.

Спекание может выполняться без приложения нагрузки после холодного прессования (ХПС - холодное прессование + спекание), при совмещении процессов прессования и спекания - горячее прессование (ГП), а также в условиях всестороннего давления в изостатах - горячее изостатическое прессование (ГИП).

Горячее прессование выполняется при температурах 0,6…0,8 температуры плавления порошка. Горячее прессование обеспечивает меньшую пористость, чем холодное, т.е. более высокую прочность. Эта технология позволяет производить заготовки из материалов, обладающих высокой твердостью, а следовательно весьма низкой пластичностью.

Горячее изостатическое прессование обеспечивает наилучшие свойства спеченного материала (малая пористость, высокая прочность). Эта технология может быть использована в качестве основного метода или быть дополнительной операцией после ХПС или ГП. ГИП осуществляют в печах высокого давления (до 300 МПа), которое достигается за счет подачи нейтрального газа. В изделиях, полученных ГИП, вследствие всестороннего сжатия отсутствует анизотропия плотности, они изотропны. Их плотность, а следовательно, и механические свойства одинаковы во всех направлениях (что недостижимо при однонаправленном нагружении, характерном для ХП+С и ГП).