книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

Известно, что при нагревании металла электроны на внешней орбите возбуждаются и некоторые из них могут получить скорости, достаточные для преодоления потенциального барьера (термоэлек­ тронная эмиссия). Для получения большой энергии необходимо про­ текание термоэлектронной эмиссии в среде, имеющей достаточный вакуум с использованием высоких ускоряющих напряжений и фоку­ сировки электронного луча.

В настоящее время представляется возможным регулировать величину кинетической энергии электронов и фокусировать энергию на весьма малых площадях (до 1 • І О -7 см2). Плотность энергии электронного луча достигает весьма высоких значений (ІО7 — ІО9 вт/см2), поэтому материал под его действием плавится и испа­ ряется. Температура в рабочей зоне превышает 6000°. Этот терми­ ческий эффект действия электронов при их торможении лежит в основе электронно-лучевой обработки.

Основные элементы установки для электронно-лучевой обра­ ботки: электронная пушка, в которо’й формируется мощный элект­ ронный луч; вакуумная или рабочая камера с устройствами для точ­ ной установки и перемещения детали; вакуумная насосная система, создающая вакуум порядка ІО-5 см рт. ст.\ контрольная система, управляющая размером и траекторией электронного луча; высоко­ вольтный источник энергии; приборы для контроля и наблюдения за процессом.

Различают непрерывный и импульсный режимы работы. Не­ прерывный режим применяется в металлургических и сварочных процессах. Для размерной обработки применяется импульсный ре­ жим,, обеспечивающий локализацию нагрева участков обработки. Например, если в рабочей зоне температура около 6000°, то на рас­ стоянии 1 мк от кромки луча — лишь около 300°. Длительность импульса и интервалы между ними выбирают так, чтобы за время одного импульса участок металла под лучом успел нагреться и испариться, а тепло не успело распространиться па всю деталь. Длительность импульсов изменяется от 10“4 до ІО-6 сек при частоте

50—5000 гц.

Обработка световым лучом. В последние годы началось ис­ пользование квантовых генераторов света (лазеров) для размер­ ной обработки труднообрабатываемых материалов.

В основу работы лазера положено использование внутренней энергии атомов и молекул некоторых веществ. Во всех лазерах ис­ пользован принцип молекулярного генерирования излучения.

Если мощному потоку света придать импульсный режим и сфо­ кусировать луч в тонкий пучок, то получается большая концентра­ ция энергии в луче. Световой луч, направленный на обрабатывае­ мый материал; мгновенно нагревает малый участок до температуры 4000°, металл плавится и испаряется. Таким образом обеспечива­ ется разрезка материала, получение малых отверстий и выполнение sдругих видов работ.

Оптический квантовый генератор состоит из трех основных эле­ ментов: активного вещества, являющегося источником индуциро­

450

ванного излучения; источника возбуждения (подкачки), который снабжает внешней энергией активное вещество, и резонансной си­ стемы. Активным веществом является синтетический рубин — кри­ сталл корунда с примесью хрома (А120 3, Сг20 3). Источником под­ качки служит ксеоновая импульсная лампа с температурой излу­ чения 4000°. Резонансной системой является рубиновый стержень, торцы которого отполированы, причем один торец покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, а другой, также посеребренный, име­ ет коэффициент,пропускания света около 8 %.

сталле энергия освобождается, и кристалл испускает яркий красный свет. Луч света обычно расходится под углом не более 0,1°, т. е. об­ ладает большой направленностью.

Этот способ обеспечивает съем металла до 100 мм3/сек.

При обработке световым лучом не требуется вакуумных камер, работа может производиться в воздушной среде, не нужна защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, необхо­ димы лишь защитные очки. Недостатком обработки световым лучом является низкий к. п. д. лазеров (около 1%).

Помимо кристаллических, используются также газовые лазеры из смеси гелия и неона.

§9. Техника безопасности при электрофизической

иэлектрохимической обработке металлов21

1.Станки необходимо оснастить устройствами для улавлива­ ния аэрозолей и газов, которые выделяются в зоне обработки, а так­ же патрубками для присоединения станков к специальной вытяж­ ной вентиляции.

2.Вытяжная вентиляция должна обеспечивать очистку возду­ ха в зоне работы оператора в соответствии с требованиями санитар­ ных норм. Предельно допустимые концентрации аэрозоли масла и сажи — 10 мг/м3, хлористого водорода — 5 мг/м3, окиси углерода —

20 мг/м3.

Г л а в а X. ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

§ 1. Общие сведения

Технология порошковой металлургии основана на использова­ нии в качестве исходного сырья порошков металлов или смеси их

снеметаллическими порошками, которые прессуются (формуются)

визделия или заготовки требуемой формы, размеров и плотности. Она имеет некоторое сходство с технологией керамического произ­ водства. Поэтому изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, известны под названием металлокерамических. *

Особенно быстрое развитие порошковая металлургия получила

вначале XX столетия в связи с потребностями электротехники в материалах, которые невозможно было получить другими, извест­ ными в то время способами. Методами порошковой металлургии начали получать в промышленных масштабах вольфрам, молибден, медно-графитовые щетки. В 1926—1927 гг. были получены металло­ керамические твердые сплавы для режущего инструмента, несколь­ ко позже — постоянные магниты, пористые подшипники и многие другие детали машин и материалы из смесей металлов с неметал­ лическими добавками.

Внастоящее время на многих предприятиях освоено производ­ ство из порошков массовых деталей общего назначения, антифрик­ ционных и фрикционных элементов станков и транспортных машин, сплавов со специальными свойствами, обеспечивающими работо­ способность машин в особо тяжелых условиях эксплуатации. Осо­ бое значение металлокерамические материалы приобретают в свя­ зи с развитием ядерной и ракетной техники, вычислительных, управляющих и других машин, определяющих технику ближайшего будущего.

§ 2. Получение металлических порошков

Металлические порошки, применяемые в порошковой метал­ лургии, различаются как по размерам (от долей микрона до милли­ метров), так и по форме и состоянию поверхности частиц.

* В соответствии с ГОСТ 17359—71 «Порошковая металлургия. Термины Р определения» вместо термина «Металлокерамические изделия (материалы)» введен термин «Спеченные изделия (материалы)».

453

Получают металлические порошки механическими и физико­ химическими методами.

Механические методы получения порошков. Размолом в шаро­ вых мельницах наиболее целесообразно получать порошки хрупких металлов и сплавов: кремния, бериллия, чугуна, бронзы, ферро­ сплавов и др. Пластичные металлы перед размолом приводятся в хрупкое состояние искусственным способом — насыщением их во­ дородом, охлаждением до температур повышенной хрупкости; вве­ дением легирующих добавок или поверхностно-активных веществ,

не должен превышать 0,4—0,5. Частицы порошка, полученного в шаровых мельницах, имеют вид неправильных многогранников, листочков или завитков размерами 0,1—0,3 мм.

Недостатком этого метода является загрязнение порошков про­ дуктами истирания шаров и барабана.

Размол в вихревых мельницах более интенсивен, чем в шаро­ вых. Вихревая мельница (рис. 284, а) состоит из футерованного из­ носоустойчивой сталью кожуха, в котором вращаются со скоростью 3000 об/мин в противоположном направлении два пропеллера. іЧатериал (рубленая проволока, стружка, опилки, обрезки и про­ чие мелкие кусочки), загруженный в бункер, захватывается пере­ секающимися воздушными потоками и за счет взаимного соударе­ ния дробится на частицы размером от 50 до 200 мк.

Для охлаждения в кожухах часто предусматривается водяная рубашка. В камеру размола иногда нагнетают инертный газ, предо­ храняющий частицы от окисления и самовозгорания. В последних конструкциях мельниц пропеллеры заменены билами (рис. 284, б), вращающимися в одном направлении.

Частицы порошка, полученного в вихревых мельницах, имеют тарельчатую форму с зазубренными краями и шероховатой поверх­ ностью.

Для получения тонких порошков из малопластичных материа­ лов (карбидов металлов, окислов и др.) применяются вибромельни-

454

цы (рис. 285). Работа их основана па высокочастотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров. Частота колебаний барабана 1500—3000 в минуту, амплитуда 2—3 мм. Шихта и шары засыпаются на 80% емкости барабана (шаров обыч­ но в 8—10 раз больше, чем шихты). Интенсивность размола повы­ шается в присутствии воды, дихлорэтилена, бензола, бензина, спир­ та, аиетона и др. Во время работы кожух барабана охлаждается.

Получение порошка методом распыления жидких металлов за­ ключается в том, что расплавленная струя металла распыляется

Рис. 284. Рабочий орган вихревой мельницы с пропеллерами (а) и билами (6)

с помощью воздуха, инертных газов или ударов лопаток вращаю­ щегося диска. Частицы порошка', полученного этими методами, имеют форму, близкую к сферической, и размеры 0,05—0,35 мм. В процессе распыления и грануляции частицы окисляются, что требует последующего восстановительного отжига.

Рис. 285. Барабан вибромельницы

Особое значение приобретает метод получения алюминиевых гранул из расплава, заливаемого во вращающийся стакан с отвер­ стиями в стенках. Из гранул алюминия и упрочняемых сплавов округлой и вытянутой формы размером от 1 до 3—4 мм прокаты­ вают ленту и прессуют полуфабрикаты.

Физико-химические методы получения порошков. Это методы, при которых производство порошков сопровождается изменением

455

хишіческого составу исходного сырья или его агрегатного состоя­ ния в результате химического или физического воздействия на ис­ ходный продукт.

Методом химического восстановления получают порошки же­ леза, меди, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена и др. Качест­ во порошка во многом зависит от температуры, давления, состава восстановителя и режима процесса.

Восстановление осуществляется водородом, диссоциирован­ ным аммиаком, конверторным, коксовым, доменным и другими га­ зами, а также углеродом, при этом в реакции восстановления уча­ ствует окись углерода. Недостатком восстановления углеродом является науглероживание конечного продукта.

Широкое распространение получило электролитическое осаж­ дение порошкообразных металлов из водных растворов солей и рас­ плавленных сред. В первом случае получают порошки олова, се­ ребра, меди, железа; во втором — порошки некоторых редких ме­ таллов: тантала, ниобия, тория, циркония, урана и др.

Частицы порошков, полученных электрическим методом, имеют форму дендритов, размер которых зависит от плотности тока. По­ рошки отличаются высокой чистотой и хорошей прессуемостью.

,'реимуществом этого метода является возможность получать чис­ тые порошки из загрязненных исходных продуктов.

Карбонильный метод основан на том, что многие металлы (же­ лезо, никель, кобальт и др.) при определенных условиях (высокое давление, повышенная температура) образуют с окисью углерода химические соединения, называемые карбонилами: Fe (СО) 5, Ni (СО) 4 и др. Это неустойчивые соединения, которые разлагаются (диссоциируют) с образованием тонких порошков металла и окиси углерода.

Карбонильные железные порошки обладают хорошими техно­ логическими свойствами и используются для получения магнито­ мягких материалов.

Методом гидрогенизации получают порошки редких металлов: титана, циркония, урана и др. Металл в виде губки или небольших кусков загружается в реакторы, через которые пропускается водо­ род. При нагреве до определенной для каждого металла темпера­ туры (300—800°) происходит активное поглощение водорода, в ре­ зультате чего металл становится хрупким и растрескивается. По­ сле этого его размалывают одним из механических способов и подвергают дегидрогенизации при температуре около 800° в ваку­ уме. Недостаток этого метода — высокая хрупкость и низкая плас­ тичность порошков.

§ 3. Свойства металлических порошков

Металлические порошки характеризуются технологическими и физическими свойствами, а также химическим составом.

Технологические свойства: насыпной вес, текучесть и прессуемость порошков.

456

Насыпной вес (уп) — вес единицы объема свободно насыпанно­ го порошка. Чем крупнее частицы и чем правильнее их форма и глаже поверхность, тем больше уи. Насыпной вес порошков даже одного и того же материала колеблется в зависимости от размера и формы частиц. Так, например, насыпной вес железного порошка, полученного восстановлением природным газом, составляет 1,7— 1,85 г/см3, а восстановленного твердым углеродом — 2,3—2,4 г/см3, размолотого вихревым помолом — 1,9—2,5 г/см3.

Текучесть порошков характеризует их способность заполнять определенную форму, скорость поступления в валки и другие тех­ нологические свойства. Это комплексная характеристика, завися­ щая от удельного веса, формы, состояния поверхности частиц, гра­ нулометрического состава и др. Определяется она скоростью про­ сыпания порошка через цилиндрическую 60-градусную воронку с отверстием 4 мм и выражается в г/сек3.

Прессуемость порошков — это их способность под влиянием сжимающих внешних усилий уплотняться, приобретать и удержи­ вать форму, соответствующую внутренним размерам пресс-форм. Существенное влияние на прессуемость оказывают размеры и фор­ ма частиц порошка: чем меньше частицы, тем ниже прессуемость. Однако прочность прессовок из мелких порошков, как правило, выше, чем из крупных.

Порошки, составленные из различных по величине частиц, об­ ладают большим насыпным весом, дают максимальную прочность прессовок. Чем выше твердость частиц, тем хуже их прессуемость. На практике последнюю определяют по плотности опытных образ­ цов, полученных при прессовании с точно установленным удельным давлением.

Важной технологической характеристикой порошков является формуемость, которая определяет способность порошковых изделий сохранять свою форму после выпрессовки. Количественную харак­ теристику ее получают путем сжатия образцов до разрушения. При этом

став, удельная поверхность и микротвердость.

Форма частиц зависит от химической природы металла и спо­ соба получения порошков и определяется при помощи оптического и электронного микроскопов. Она оказывает большое влияние на насыпной вес и прессуемость порошков, а также на прочность и од­ нородность прессовок. Наибольшую прочность имеют прессовки из порошков дендритной формы. Порошки сферической формы имеют наибольший насыпной вес, но плохую прессуемость.

Гранулометрический состав является важнейшей характери­ стикой порошков. Величина частиц и соотношение частиц разных

457

поверхности частиц активизируются все процессы при прессовании и спекании. Экспериментально она определяется адсорбцией кра­ сителей, азота или гелия, определением скорости растворения и др.

Величина удельной поверхности зависит от способа и режима получения порошков. У распыленных порошков она меньше, у вос­ становленных и электролитических больше. Так, у восстановленного порошка железа удельная поверхность составляет 0,35—0,6 м2/г, а у размолотого в вихревой мельнице — 0,25—0,'2б м2/г. У карбониль­ ных никелевых и медных порошков удельная поверхность доходит до 20 м2/г и более.

Большая удельная поверхность порошков способствует актив­ ному поглощению влаги из воздуха, что значительно ухудшает их свойства. Поэтому после длительного хранения порошки перед ис­ пользованием подвергаются восстановительному отжигу. Темпера­ тура отжига зависит от материала порошка. Так, для железа она составляет 750—800°, для меди — 350—400°.

Химический состав. Содержание основного металла или компо­ нентов смеси, а также содержание примесей или загрязнений ха­

наиболее вредными являются трудновоестанавливаемые окислы кремния, алюминия, марганца. Они затрудняют процесс формооб­ разования и ослабляют изделия. Особенно сильно эти примеси сни­ жают пластичность материала. Однако в ряде случаев введение не­ растворимых в основном металле тугоплавких дисперсных окислов позволяет увеличить жаропрочность сплавов. На этом принципе основано производство теплопрочного алюминиевого сплава САП, ТД-никеля и др.

Легковосстанавливаемые окислы (железа, меди, никеля, мо­ либдена, кобальта, вольфрама и др.) упрочняют детали при спека­ нии, поэтому их не считают вредными.

Металлические порошкисодержат, кроме того, значительное количество газообразных загрязнений, источником которых явля­ ются абсорбированные на поверхности частиц газы, а также газы, попавшие внутрь частиц в процессе их производства. Газообраз­ ные примеси в порошках появляются также при нагреве в резуль­ тате разложения загрязнений и добавляемых в шихту смазок.

458

Газы, содержащиеся в порошках (кислород, водород, окись углерода и азот), ухудшают прессуемость и качество прессовок. Поэтому для получения изделий с высокими механическими пока­ зателями необходимо порошок дегазировать в вакууме.

§ 4. Формообразование металлокерамических изделий

Подготовка шихты. Это ответственная операция, от которой в значительной степени зависит качество готовой прессовки. Она за­ ключается в очистке порошков, предварительной их обработке, классификации, смешивании, осреднении и грануляции.

Очистка производится химическим, гидромеханическим и маг­ нитным способами. Механической обработкой дополнительно из­ мельчают частицы в шаровых мельницах до требуемых величин.

Для снятия наклепа, уменьшения окисленное™ и улучшения физико-химической однородности порошков из сплавов производят отжиг порошков в восстановительной Или защитной атмосфере.

Для получения порошков с частицами определенного размера или частицами, состоящими из вполне установленного процентного

Смешивание порошков различных материалов иногда с весьма различными свойствами должно быть весьма равномерным во из­ бежание брака готовых изделий. Смешивание может быть сухое и мокрое. Последнее применяют для получения смесей материалов, резко отличающихся по удельному весу и другим свойствам (на­ пример, железо и графит). В качестве жидкой среды используется спирт, бензин, глицерин и дистиллированная вода.

Грануляцию производят с целью улучшения текучести и прес­ суемое™ порошков. Она заключается в образовании временно устойчивых комочков, состоящих из сравнительно большого числа весьма тонких частиц порошка. В порошок вводят склеивающие или пластифицирующие присадки (стеарат цинка, парафин), кото­ рые смазывают поверхности частиц, облегчая их скольжение друг относительно друга при прессовании. Иногда в шихту вводят и другие присадки для изменения свойств прессовок.

Прессование. Для получения изделий заданной формы и раз­ мера порошковая шихта подвергается/прессовапию в пресс-формах (рис. 286). Навеска порошка, зависящая от величины и требуемой плотности прессовки, засыпается в матрицу, затем в нее вставля­ ется пуансон, которым порошок уплотняется (рис. 286, а). После снятия давления изделие выпрессовывается из матриц. Выпрессовка обычно осуществляется пуансоном, при этом матрица устанав­ ливается на подкладное кольцо-вилку (рис. 286, б).

Порошок под давлением пуансона ведет себя в некоторой мере сходно с жидкостью — он стремится растекаться в стороны. Это вы­ зывает боковое давление на стенки матриц. Однако в отличие от жидкости, где давления во все стороны равны, у порошков боковое