13. Порошковые материалы

В современном машиностроении широко используют детали и различные изделия из порошковых материалов.

Технологический процесс производства изделий из порошков (порошковая металлургия) состоит из получения порошков, их подготовки, формования изделий, спекания и дополнительной обработки.

Порошки изготовляют физико-механическими (дробление, размол стружки, распыление жидкого металла сжатым воздухом, грануляция металла в жидкость и др.) или химико-металлургическими (восстановление металлов из оксидов, электролитичес­кое осаждение металлов из водных растворов их солей и др.) спо­собами.

Подготовка порошков к формованию включает отжиг (для по­вышения пластичности порошков), разделение по величине час­тиц и смешивание.

Формование заключается в придании заготовкам из порошка форм, размеров, плотности и механической прочности, необходи­мых для последующего получения изделий. Его осуществляют прессованием.

При спекании непрочные прессованные заготовки превраща­ются в прочное спеченное тело, которое по своим свойствам сходно с беспористыми компактными материалами. Для конст­рукционных материалов на основе железа и графита температура спекания составляет 1100...1200⁰С, для антифрикционных изде­лий на основе Fe — 1000...1050 ⁰С, бронзы — 850...950 ⁰С. Про­должительность спекания 0,5...1,5 ч в нагревательных печах в за­щитной атмосфере или в вакууме, чтобы частицы порошка не окислялись.

После спекания для придания высоких механических и техно­логических свойств, повышения точности размеров изделия до­полнительно подвергают горячему прессованию, штамповке, про­катке.

Для пористых материалов предусматривают также термичес­кую и химико-термическую обработку: закалку, цементацию, нитроцементацию, азотирование для повышения твердости, из­носостойкости, прочности и коррозионной стойкости поверх­ностного слоя. Иногда применяют сульфидирование и оксиди­рование.

Методами порошковой металлургии изготовляют конструкци­онные, антифрикционные, фрикционные, фильтрующие матери­алы, твердые сплавы и другие материалы.

13.1. Конструкционные порошковые материалы

Конструкционные детали — наиболее распространенный вид продукции порошковой металлургии. Стоимость и трудоем­кость их минимальны, отходы производства почти полностью отсутствуют. Различают конструкционные порошковые матери­алы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы, и материалы, обладающие специальными свойствами, — высокими износо­стойкостью, твердостью, жаропрочностью, коррозионной стой­костью, магнитными и электрическими характеристиками. В зависимости от условий нагружения статическими и динамическими нагрузками детали подразделяют на мало-, средне- и тяжелонагруженные, а в зависимости от пористости — на четы­ре группы по плотности.

Пористость малонагруженных деталей обычно составляет 16...25 %. Их изготовляют холодным прессованием и спеканием из железного порошка с добавкой графита или из порошков углеро­дистых сталей.

Средненагруженные порошковые детали получают двукрат­ным холодным прессованием и спеканием из порошков углеро­дистых и низколегированных сталей, а также из железного по­рошка с добавкой углерода, меди, никеля. Пористость материала 10...15%.

Тяжелонагруженные статическими нагрузками детали изготов­ляют из порошков углеродистых или легированных сталей и цвет­ных сплавов. Пористость их не превышает 9 %. Изделия получают холодным прессованием и спеканием с последующей горячей и холодной штамповкой или горячим прессованием.

Пористость тяжелонагруженных динамическими нагрузками деталей из порошков углеродистых и легированных сталей, спла­вов цветных металлов не превышает 2 %. Для получения изделий применяют холодное прессование, горячую штамповку, горячее прессование или химико-термическую обработку.

Для обозначения порошковых конструкционных материалов принята буквенно-цифровая маркировка. Материалы на основе порошков железа, графита, хрома и т. д. обозначают так: Ж — же­лезо, Гр — графит, Д — медь, Н — никель, О — олово, М — молиб­ден. Цифры, стоящие после букв, показывают содержание эле­ментов в процентах, а в конце марки, после дефиса — плотность материала (г/см³). Например, ЖГр0,5-7,3; ЖГр1Д2,5МЗ-7,6; ЖГр0,4Д4НЗ-7,3.

Детали из порошков сталей марок 12X13, 14Х17Н2, 10Х18Н10 и 10Х23Н18 получают одно- и двукратным прессованием с последу­ющей горячей обработкой давлением и применяют для работы в агрессивных средах (пористость не более 3 %).

Детали из порошковых материалов применяют для изготовле­ния крышек, шайб, колец, втулок, кулачков, рычагов, поршневых колец, фланцев, подшипников, деталей насосов, пишущих и счет­ных машинок и др.

Конструкционные материалы на основе цветных металлов и сплавов изготовляют из порошков алюминия, магния, бериллия, меди, никеля, бронзы, латуни, титана, хрома и др.

Перспективно использование порошков титана и его сплавов для тяжелонагруженных деталей. Высокие механические свойства порошковых изделий на основе титана (σ_в = 650...900МПа, δ = 8...16 %) позволяют применять их для шатунов автомобильных двигателей. Это существенно уменьшает массу, снижает инерци­онные силы и увеличивает мощность двигателя. Детали из порошков титана (втулки, крышки, трубы) находят применение в хими­ческом и пищевом машиностроении, приборостроении.