Сплавы, получаемые методами порошковой металлургии

Основные сведения о порошковой металлургии.

Методы получения порошков. Методами по­рошковой металлургии можно получать сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге при расплавлении, а также сплавы из тугоплав­ких металлов и металлов особо высокой чисто­ты. Порошковой металлургией изготовляют как заготовки, так и разнообразные детали точных размеров. Порошковая металлургия позволяет получать пористые материалы и детали из них, а также детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов. Методы порошковой металлургии поз­воляют получить материалы и детали, обладаю­щие высокой жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, с заданными стабильными магнит­ными свойствами, особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья или обработкой давлением.

Процесс производства деталей и изделий из порошковых материалов заключается в приго­товлении металлического порошка, составлении шихты, прессовании и спекании заготовок. Ме­таллические порошки получают механическими и физико-химическими методами.

При механических методах порош­ки вырабатывают измельчением твердых или распылением жидких металлов без изменения их химического состава. Для измельчения твер­дых хрупких материалов применяют шаровые, вихревые и вибрационные мельницы. Измельче­ние обрабатываемого материала производят ударным и истирающим действием шаров (стальных или чугунных). Следует учитывать, что при получении металлических порошков ме­ханическими методами возможно их загрязнение.

Шаровая мельница состоит из стального ба­рабана, в который загружают размалывающие шары и обрабатываемый материал. Частицы по­рошка, полученного в шаровых мельницах, име­ют вид неправильных многогранников размера­ми 100—1000 мкм. Размол в вихревых мельни­цах более интенсивен, чем в шаровых. В каме­ре вихревой мельницы имеется два пропеллера, которые, вращаясь в противоположные стороны, создают пересекающиеся воздушные потоки. Ма­териал (рубленая проволока, стружка, обрезки и другие мелкие кусочки), загруженный в каме­ру, захватывается воздушными потоками и за счет взаимного соударения дробится на частицы размером от 50 до 200 мкм. Полученные частицы имеют тарельчатую форму и зазубренные края.

Для получения тонких порошков из хрупких карбидов металлов и окислов применяют вибра­ционные мельницы. Вибромельницы наиболее производительны, их работа основана на высоко­частотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров за счет со­вершения барабаном мельницы круговых колеба­ний высокой частоты.

Для получения порошков из олова, свинца, алюминия, меди, а также из железа и стали применяют распыление струи жидкого металла кинетической энергией воздуха, воды, пара или инертных газов. Полученные частицы порошка имеют размеры 50—350 мкм и фирму, близкую к сферической.

При получении порошков физико-химическими методами происходят изменения химического состава и свойств исходного мате­риала. Основными физико-химическими метода­ми являются химическое восстановление метал­лов из окислов, электролиз расплавленных со­лей, карбонильный метод и метод гидрогениза­ции.

Химическое восстановление окислов метал­лов осуществляют газообразными или твердыми восстановителями. В качестве газообразных вос­становителей широко используют природный, до­менный и углекислый газы, а также водород. Получающуюся при химическом восстановлении металлическую губку подвергают размолу. Сре­ди физико-химических методов получения по­рошков этот метод наиболее дешевый. Порошки чистых и редких металлов (тантала, циркония и др.) в виде дендритов величиной 1 —100 мкм по­лучают электролизом расплавленных солей ме­таллов. Электролиз позволяет получать чистые порошки из загрязненного сырья. Карбонильный метод позволяет получать порошки магнитного железа, никеля и кобальта в виде сфероидов ве­личиной 1—800 мкм. Получающийся этим мето­дом продукт при температуре 200—300°С распа­дается на порошок металла и окись углерода. В основе метода гидрогенизации лежит восстанов­ление хрома гидратом кальция. Получающаяся при этом известь вымывается водой, а порошок металла состоит из дендритов величиной 8— 20 мкм.

Порошки, полученные физико-химическими методами, являются наиболее тонкодисперсными и чистыми. В зависимости от размера частиц по­рошки классифицируют по гранулометрическому составу на ультратонкие до 0,5 мкм, очень тон­кие 0,5—10 мкм, тонкие 10—40 мкм, средней тонкости 40—150 мкм и крупные 150—500 мкм.

Характеристиками основных технологических свойств порошков являются насыпная масса, те­кучесть, прессуемость и спекаемость.

Насыпная масса — масса 1 см³ сво­бодно насыпанного порошка в граммах. Если по­рошок имеет постоянную насыпную массу, то при спекании будет обеспечиваться постоянная усадка. Один и тот же порошок может иметь различную насыпную массу в зависимости от способа получения. Для изготовления высокопо­ристых изделий следует использовать порошки с малой насыпной массой, а для разнообразных деталей приборов и машин — с большой насып­ной массой.

Текучесть — способность порошка запол­нять форму. Она характеризуется скоростью прохождения порошка через отверстие опреде­ленного диаметра. С уменьшением размера ча­стиц порошка его текучесть, ухудшается. Теку­честь в большей степени влияет на равномерность заполнения формы порошком и на скорость уплотнения при прессовании.

Прессуемость - способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и характеризуется прочностью сцепления частиц порошка после прессования. На прессуемость оказывают влияние пластичность материала, размер и форма частиц порошка. С введением в состав порошков поверхностно-активных веществ прессуемость их повышается.

Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц, возникающую в результате термической обработки прессованных заготовок.

Приготовление шихты. Дозированные порции порошков определенного химического и грануло­метрического состава и технологических свойств ~ смешивают в барабанах, мельницах и других устройствах. При необходимости особо равно­мерного перемешивания шихты применяют до­бавки спирта-бензина, глицерина и дистиллиро­ванной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного на­значения: пластификаторы, облегчающие прессо­вание (парафин, стеарин, глицерин и др.), лег­коплавкие присадки, летучие вещества, позволя­ющие получать изделия с заданной пористостью.

Формование заготовок и изделий. Прессова­ние порошков в холодном или горячем состоянии осуществляют прокаткой и другими способами.

При холодном прессовании в мат­рицу пресс-формы засыпают шихту и рабочим пуансоном производят прессование. После сня­тия давления изделие выпрессовывают из матрицы выталкивающим пуансоном. В процессе прес­сования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформациям, при этим резко увеличивается, контакт между частицами порошка и уменьшается пористость, что дает возмож­ность получить заготовку нужной формы и до­статочной прочности. Прессование выполняют на гидравлических или механических (эксцентрико­вых, кривошипных) прессах. Давление прессова­ния составляет 200-1000 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия.

Широкое распространение получили прессы автоматического действия (рис. 6.1). Шихта, за­гружаемая в приемный бункер 1, перемещается в заполняющий рукав 2 под действием собствен­ного веса. Рукав заканчивается над пресс-фор­мой 3 ft может перемещаться по столу 4 пресса. Положение нижнего выталкивающего пуансона 5 определяет количество засыпаемого порошка,

Рис. 6.1. Схема автоматического формования

т. е. в данном случае дозировка и питание пресс: формы совмещаются. После заполнения пресс-формы рукав отходит в сторону и дает возможность произвести давление посредством верхнего рабочего пуансона 6. Заготовка выталкивается нижним пуансоном, а рукав перемещается для следующей засыпки, одновременно сталкивая заготовку со стола в специальный лоток. Такие прессы иногда снабжаются вращающимися столами, на которых устанавливается несколько пресс-форм. Производительность автоматических прессов достигает нескольких тысяч заготовок в час.

При горячем прессовании в пресс-форме изделие не только формуется, но и под­вергается спеканию, что позволяет получать бес­пористый материал с высокими физико-механи­ческими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или восста­новительной атмосфере, в широком интервале температур (1200—-1800°С) и при более низких давлениях, чем холодное прессование. Приложе­ние давления обычно производится после нагре­ва порошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из трудно деформи­руемых материалов (боридов, карбидов и др.).

Прокатка металлических порош­ков является непрерывным процессом получе­ния изделий в виде лент, проволоки, полос путем деформирования в холодном или горячем состоя­нии. Прокатку производят в вертикальном, на­клонном и горизонтальном направлениях. Наи­лучшие условия формования изделия создаются при вертикальной прокатке. Сначала порошок из бункера поступает в зазор между вращающи­мися обжимными валками и обжимается в заго­товку, которая направляется в проходную печь для спекания, а затем прокатывается в чистовых валках. Объем, порошка при прокатке уменьша­ется в несколько раз. При прокатке ленты отно­шение диаметра валков к толщине ленты должно находиться в пределах от 100:1 до 300:1. Ско­рость прокатки порошков значительно меньше скорости прокатки литых металлов и ограничи­вается текучестью порошка. Поэтому линейная скорость поверхности вращающихся валков должна быть меньше скорости перемещения ме­таллического порошка из бункера в зазор меж­ду валками. Прокаткой можно получать одно­слойные и многослойные изделия, ленты толщи­ной 0,025—3 мм и шириной до 300 мм, проволо­ку диаметром от 0,25 мм и более К т. д. Непре­рывность процесса обеспечивает высокую произ­водительность и возможность автоматизации.

Для придания деталям и изделиям необходи­мой прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий некоторое время в печи при температуре, примерно равной 0,6—0,8 темпера­туры плавления основного компонента. Спека­ние производят в электропечах сопротивления, индукционным нагревом или посредством непо­средственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления метал­лических порошков спекание ведут в аргоне, ге­лии, вакууме или в среде водорода. Во избежа­ние коробления тонкие и плоские детали спекают под давлением. Для придания изделиям окон­чательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания подвергают отделоч­ным операциям: калиброванию, обработке резанием, химико-термической обработке и раз­мерной обработке электрофизическими метода­ми, повторному прессованию.

Калибрование заключается в продавливании спеченного изделия через отверстие соответствую­щего сечения в пресс-форме. В результате калиб­рования происходит уточнение размеров изделия, полирование его поверхности и некоторое сниже­ние пористости.

Обработку резанием выполняют для получе­ния из прессованных заготовок деталей сложных форм (волоки для волочения, твердосплавные вставки и матрицы штампов и т. д.), для нареза­ния наружных и внутренних резьб, для получе­ния небольших по диаметру, но глубоких, отвер­стий.

Химико-термическую обработку (азотирова­ние цианирование и т. д.) вы­полняют так же, как и для металлов. Наличие пористости, а следовательно, и более развитой поверхности, способствует более активному осу­ществлению химико-термических процессов.

Электрофизические методы — электроискро­вую и электроимпульсную обработку применяют для получения деталей сложной формы. Сущ­ность электроискровой обработки заключается в использовании электроимпульсного искрового разряда между двумя электродами, один из ко­торых является обрабатываемой, хромирование, заготовкой, (анод), а другой — инструментом (катод). При электроимпульсной обработке применяют обрат­ную полярность включения электродов. Это при­водит к меньшему износу инструментов — элек­тродов и повышению производительности в не­сколько раз, чем при электроискровой обработ­ке. Эти методы основаны на использовании яв­ления эрозии (разрушения) токопроводящих электродов при пропускании между ними им­пульсного электрического тока. В результате возникающего разряда температура на поверх­ности обрабатываемой заготовки — электрода возрастает за очень малый промежуток времени до 10000—12000°С, металл мгновенно оплав­ляется и испаряется. Удаленный металл засты­вает в среде диэлектрической, жидкости в виде гранул.

Повторное прессование используют для из­готовления деталей сложной формы. Повтор­ным прессованием обеспечиваются заданные раз­меры и требуемая форма заготовки, имеющей после первого прессования более простую форму и приближенные размеры.

Твердые сплавы и минералокерамика

Твердые сплавы. Твердые сплавы изготовля­ют на основе тугоплавких карбидов, обладающих высокой твердостью, прочностью, износо­стойкостью, жаростойкостью. Эти свойства со­храняются достаточно высокими при нагреве до 800—1000°С. По способу производства твердые сплавы делят на литые и металлокерамические, получаемые спеканием порошков карбидов вольфрама, титана и тантала с кобальтом. Послед­ний вводят для придания сплавам вязкости.

Литые твердые сплавы изготовляют в виде специальных электродов (ГОСТ 10051—75), пригодных для наплавки (наварки) на инструмент или детали. Сплавы В2К, ВЗК (стеллиты), сормайт относят к литым сплавам. Стеллиты представляют собой сплавы на осно­ве вольфрама, хрома и кобальта. Эти сплавы на­плавляют на рабочую поверхность новых или изношенных деталей и инструментов: штампов, ножей для резания металла, центров токарных станков и др. Наплавку осуществляют с по­мощью ацетиленокислородного пламени или электрической дуги. Наплавленный слой стел­лита имеет структуру эвтектики, состоящей из твердого раствора и карбидов хрома. Механиче­ские свойства наплавленного слоя будут тем вы­ше, чем больше скорость его охлаждения, так как зерна, будут получаться мельче. Наплавлен­ный слой термической обработке не подвергают. Детали или инструмент, предназначенные для наплавки, изготовляют из углеродистой, стали, этим достигается экономия дорогостоящих легированных сталей. Наплавлять указанные спла­вы можно как на стальные, так и на чугунные детали.

К литым твердым сплавам относят также сормайты — высокоуглеродистые хромистые сплавы на железохромовой основе. Они представляют со­бой либо заэвтектический высокохромистый чу­гун со структурой первичных карбидов и эвтекти­кой (сормайт № 1), либо доэвтектический белый хромистый чугун со структурой перлита и кар­бидной эвтектики (сормайт № 2). Сормайты из­готовляют в виде прутков диаметром 5—7 мм и применяют для, наплавки чугунных и стальных деталей и инструментов, работающих при нор­мальных и. высоких температурах в условиях трения скольжения. Слой, наплавленный сормайтом № 1, имеет твердость HRC 48—50. Термиче­ской обработке его не подвергают. Слой, наплав­ленный сормайтом № 2, подвергают отжигу при температуре 850—ЭОО С с последующей закалкой в масле и высоким отпуском. Стойкость деталей и инструмента, покрытых литыми твердыми спла­вами, повышается в 12 раз и более. Зерни­стые (или порошкообразные) твердые сплавы изготовляют в виде порошка или круп­ки с величиной зерна 1—3 мм. К зернистым спла­вам относят сталинит, применяют в качестве за­менителя стеллитов для повышения износостой­кости деталей сельскохозяйственных машин, бу­ровых долот и т. д. Сталинит содержит 8% С, 13% Мп, 3% Si, 18% Сг и др: Зернистые сплавы используют как наполнитель трубчатого электро­да или в виде присадочного порошка для наплав­ки. Наплавку производят различными способами, чаще всего применяют различные виды электро­дуговой сварки.

Металлокерамические твердые сплавы представляют собой твердый раствор карбидов вольфрама (WC), титана (TiC), танта­ла (ТаС) в металлическом кобальте (Со). Изде­лия из металлокерамических сплавов выпускают в виде пластинок для оснащения рабочей части металлорежущего инструмента (резцов, сверл, фрез, разверток).

Металлокерамические твердые сплавы (ГОСТ 3882—74) подразделяют на три группы: вольфрамовую, титановольфрамовую, титанотанталовольфрамовую.

Вольфрамовые твердые сплавы (например, ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК8, ВК8В и др.) применяют при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы; фарфора, стекла. Спла­вом ВК6М оснащают режущий инструмент для чистовой и получистовой обработки отбеленных чугунов, жаропрочных сталей, пластмасс. Спла­вом ВК8В оснащают инструмент для бурения, волочения, чернового точения жаропрочных и не­ржавеющих сталей. Буква В в конце марки ука­зывает, что сплав крупнозернистый, буква М — мелкозернистый.

Мелкозернистые и крупнозернистые вольфра­мовые высококобальтовые твердые сплавы ВК20, ВК25, ВКЗО и новые твердые сплавы ВК15В, ВК20В и ВК25В, обладающие высокой проч­ностью и ударной вязкостью, применяют для из­готовления твердосплавных штампов, работаю­щих а условиях больших ударных нагрузок. Стой­кость твердосплавных штампов по сравнению со стальными возрастает в 30—50 раз, чем обеспе­чивает большой экономический эффект.

Титановольфрамовые твердые сплавы (Т5КЮ, Т15К6, ТЗОК4 и др.) пред­назначены для обработки вязких, материалов: стали, латуни. Сплавом Т5КЮ, например, осна­щают режущий инструмент для чернового точе­ния, а также чернового и чистового строганий сталей по корке и окалине (включая стальные поковки, штампованные заготовки и отливки).

Титанотанталовольфрамовые твер­дые сплавы ТТ7К12 и ТТ10К8Б использу­ют для черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую вязкость, из­носостойкость и прочность (|ав==1550 МПа), чем твердые Титановольфрамовые и вольфрамовые сплавы.

Маркировка вольфрамовых твердых сплавов означает, например, для сплава ВК8, что в нем содержится примерно 92% карбидов вольфрама и 8% кобальта. В титановольфрамовом сплаве ТЗОК4 содержится примерно 30% карбидов тита­на, 4% кобальта и остальное — карбиды воль­фрама (66%). В титанотанталовольфрамовом сплаве ТТ7К12 сумма содержания карбидов тан­тала и карбидов титана составляет примерно 7%, кобальта 12%, остальное — карбиды вольфрама (81 %.). Аналогично расшифровываются и осталь­ные марки твердых сплавов.

Пластифицированные твердые сплавы применяют для изготовления сложных по форме инструментов (сверл, зенкеров, развер­ток и т. п.), а также инструментов небольших размеров, которые трудно оснастить пластинка­ми из твердого сплава. Пластифицированным твердым сплавом называют спрессованный поро­шок, погруженный в кипящий парафин при тем­пературе 400°С и составляющий с ним после остывания однородную массу. Брикеты из пла­стифицированного твердого, сплава легко подда­ются обработке резанием, прессованию и выдавливанию через фасонные фильеры. Изготовлен­ный одним из этих методов инструмент подвер­гают спеканию в специальных печах при темпе­ратуре 1300°С. После спекания инструмент, обла­дающий необходимой твердостью, подвергают чистовой обработке и затачиванию. Режущий ин­струмент, изготовленный из пластифицированно­го твердого сплава, обеспечивает более высокое качество обработанных поверхностей изделия, по сравнению с инструментом, оснащенным пла­стинками твердого сплава.

Минералокерамика — это синтетический ма­териал, в основу которого положен технический глинозем (АЬОз). Широкое применение в настоя­щее время получила минералокерамика марки ЦМ-332—микролит. По твердости (HRA 91—93), тепло и износостойкости он превосходит твердые сплавы. К недостаткам микролита относят низкую прочность и большую хрупкость. Инстру­менты, оснащенные пластинками микролита, не теряют своей твердости при нагревании в процессе работы до 1200°С. Поэтому их с большой эф­фективностью применяют в условиях безударной нагрузки при чистовой и получистовой обработке стальных и чугунных деталей, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов на высоких скоростях с небольшими глубинами ре­зания и подачами.

Технология изготовления пластинок микроли­та следующая: подготовленный порошок форму­ют, прессуют, а затем спекают при температуре 1750—1900°С. Пластинки можно получить также литьем под давлением. К державкам инструментов пластинки крепят путем припаивания или механическим креплением. Для пайки необходи­мо предварительно произвести металлизацию пла­стинок, т. е. покрыть их поверхность тонким сло­ем какого-либо металла, пригодного для осуще­ствления пайки.

Эксплуатационные характеристики минералокерамики улучшают добавлением в нее вольфра­ма, молибдена, бора, титана, никеля и т. д. Та­кие материалы называют керметами. Их используют при обработке резанием труднообра­батываемых сталей и сплавов.

Пористая и компактная металлокерамика

Пористая металлокерамика. Металлокерами­ку, имеющую остаточную пористость в пределах 15—50%, относят к пористой. В эту группу вхо­дят антифрикционные материалы, фильтры и «потеющие» материалы.

Антифрикционные материалы име­ют в своем составе графит или другие компонен­ты, выполняющие роль смазки. Поры заполняют­ся маслом. Выпускают бронзографитовые и железографитовые металлокерамические изделия. Бронзографит по микроструктуре представляет собой зерна твердого раствора олова в меди с включением графита и пор, заполненных смаз­кой. Железографит может иметь ферритную, пер­литную и цементитную структуру. Антифрикци­онные материалы используют для изготовления подшипниковых втулок, применяемых в различ­ных отраслях промышленности (автомобильной, станкостроительной, авиационной и т. д.).

Фильтры изготовляют из порошков желе­за, бронзы, никеля, коррозионностойкой стали и других материалов. Они имеют пористость не менее 40—50%. Фильтры применяют для очист­ки топлива в двигателях автомобилей, тракторов и т. д., для очистки воздуха и различных жидко­стей.

Металлокерамические материалы, предназначенные для охлаждения за счет испарения хладоагента через поры, называют «потеющими» материалами. Их изготовляют из порошков коррозионностойкой стали, никеля, вольфрама, титана и т. д.

Компактная металлокерамика. Фрикцион­ные металлокерамические материалы представ­ляют собой сложные по химическому составу композиции на основе меди или железа. В состав фрикционных материалов входят компоненты, служащие в качестве смазки и предохраняющие материал от износа (свинец, графит, различные сульфиды и сернокислые соли), компоненты, при­дающие материалу высокие фрикционные свой­ства (асбест, кварцевый песок, различные окис­лы, тугоплавкие соединения и т.д.). Фрикцион­ные металлокерамические материалы имеют повышенную хрупкость и низкую прочность. Поэто­му изделия из них, как правило, состоят из стальной основы с нанесенным на нее слоем фрикционной металлокерамики. Эти материалы применяют в узлах сцепления и торможения.

Магнитные металлокерамические мате­риалы получают методами порошковой метал­лургии. Это магнитно-мягкие (ферриты), магнит­но-жесткие материалы (постоянные магниты) и м а гн итод иэл е ктр и ки.

Ферриты изготовляют методами холодного и горячего прессования из порошков чистого желе­за и сплавов на его основе или из порошков на основе окислов железа. Ферриты спекают в окис­лительной атмосфере.

Постоянные магниты являются металлокерамическими сплавами сложного химического со­става на основе железа, легированного алюминием, никелем, медью, кобальтом. Прессованные и спеченные магниты подвергают, дополнительной термической обработке — закалке, закалке и от­пуску и т. д. Металлокерамические постоянные магниты имеют прочность в 3—6 раз выше, чем литые магниты.

Магнитодиэлектрики представляют собой ком­позиции магнитных и изоляционных материалов. Изоляционные материалы разделяют металличе­ские частицы в магнитном и электрическом отно­шении и являются механической связкой. В каче­стве изоляционных материалов применяют фенольные смолы, полихлорвинил, силикаты, кау­чук и т. д. Содержание изоляционного компонен­та в магнитодиэлектриках составляет 5—15%.

Электроконтактные металлокерамиче­ские материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов с медью, серебром, никелем. Тугоплавкие металлы (W, Mo, Co, >Ni) опре­деляют механические свойства, легкоплавкие ме­таллы служат наполнителем и придают материа­лам высокую электропроводимость. Получаемые материалы устойчивы к эрозии. Контакты изготовляют монометаллическими или биметалличе­скими. В соответствии с этим применяют различную технологию формования контактов. Металлокерамические контакты применяют в магнитных пускателях, тепловых реле и реле особо тяжелого режима, контроллерах, регуляторах напряжения, аппаратуре управления, преобразова­телях тока и т. д.

ЛНЕЦИЯ 7