Порошковая металлургия

Металлов и сплавов не всегда достаточно для некоторых изделий. В порошковой металлургии соотношение компонентов обеспечивает сразу несколько эксплуатационных свойств. В общем случае сплавы могут представлять собой химические соединения, механические смеси, растворы замещения и внедрения. Каждое фазовое состояние имеет существенные ограничения по реализации и по широте диапазона изменяемых характеристик сплава.

Существуют металлы, из которых невозможно получить сплавы: Cu+W или Ag+W. В порошковой металлургии применяются порошки металлов, окислов и смесей.

Основные операции:

- изготовление порошков и сортировка по размеру

- перемешивание в требуемой пропорции

- прессование

-спекание

Способы:

1) механическое – измельчение исходных материалов (стружка, осадок электролиза, кусочки металла) в шаровых или вихревых мельницах распылением струи жидкого металла (Al, Pb, Fe до 1600^оС). Исходный продукт измельчается без изменения химического состава. К недостаткам этого метода следует отнести высокую стоимость порошков, включающую стоимость изготовления исходных литых металлов и сплавов, и относительно низкую производительность процесса

2) физико-химическое (Mo, W) - получение порошка связано с изменением химического состава исходного сырья или его состояния в результате химического или физического (но не механического) воздействия на исходный продукт: восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из водного раствора соли и др.

Поведение металлических порошков при прессовании и спекании зависит от свойств порошков, которые, в свою очередь, определяются способами их получения. Металлические порошки имеют определенные химический состав, физические и технологические свойства. Химический состав порошков обуславливается содержанием основного металла или компонента и примесей. Физические свойства определяются размером и формой частиц, их микротвердостью, плотностью, состоянием кристаллической решетки. Технологические свойства характеризуются текучестью, прессуемостью и спекаемостью порошка.

Текучесть — это способность порошка заполнять форму. Она ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности, оценивается же количеством порошка, вытекаемого через отверстие диаметром 1,5—4 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, она повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

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

Порошки отжигают в восстановительной атмосфере, просеивают (с целью получения однородного порошка по зернистости), смешивают при помощи лопастных смесителей или барабанов и спрессовывают.

Прессование:

- холодное или горячее

- одностороннее или двустороннее

Для обеспечения высокой прочности удельное давление находится в пределах 49÷107 МПа (0,5÷12 тонн/см³)

Физический процесс прессования – пластическая деформация частиц, схватывание или «сварка».

При холодном прессовании в пресс-форму 2 засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки вследствие влияния трения порошка о стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте.

В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование. Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки меньше тpex. Двустороннее прессование применяют для формообразования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30-40%. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накапливаются значительные напряжения. После извлечения из пресс-формы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последействия.

При горячем прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6-0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву процесс уплотнения протекает гораздо интенсивнее, чем при холодном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод применяют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды и т. д.). Для изготовления пресс-форм используют, как правило, графит. Низкая производи­тельность, малая стойкость пресс-форм (10-12 прессовок), необходимость проведения процесса в среде защитных газов — все это ограничивает применение горячего прессования и обуславливает его использование только в тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспечи­вают заданных эксплуатационных свойств.

Для изготовления прессформ используют:

• ХВГ

• ХГ

• 9ХС

• Х12М

В качестве технологического оборудования применяют:

• гидравлические прессы

• кривошипные

• эксцентриковые

• пресс-автоматы

Для крупных изделий применяют специальные методы:

1) гидростатическое прессование – равномерное сжатие прессуемого порошка, заключенного в эластичную оболочку, где рабочим телом является газ или жидкость

2) формообразование прокаткой – плотность получаемого листа составляет 50-90% от плотности исходного металла

═════════════════════════════

3) выдавливание – порошок смешивается с пластификатором (вода, спирт), выдавливается через профильное отверстие и на выходе получается готовая деталь (трубы, прутки)

4) спекание – термическая обработка прессованных из порошков деталей, в процессе заготовки нагревают до температуры рекристаллизации или выше, что приводит к уплотнению массы заготовки и физико-механические свойства материала становятся близкими к свойствам исходного. Спекание происходит в специальных печах (предохраняет от окисления), где в качестве защитной атмосферы применяют H, N и другие. Спекание происходит в три этапа:

1. нагрев до (0,7÷0,9)t_пл – удаление влаги, пластификаторов, снимаются остаточные напряжения

2. выдержка при температуре спекания повышает плотность и стабилизирует свойства

3. охлаждение

Качество характеризуется отсутствием трещин, расслоения, коробления. Когда точность и шероховатость после операции ниже требуемой, проводится дополнительная механическая обработка.

Наиболее распространенные операции: точение, сверление, развертывание, шлифование. Если материал достаточно твердый, то может применяться обработка электрофизическими методами – электроискровая, ультразвуковая, электроннолучевая. Также обработка может проводиться и термическими методами.

В последнее время начала быстро развиваться новая отрасль порошковой металлургий — металлургия волокна. Материалы, представляющие собой композиции из мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу, характеризуются высокой удельной прочностью, могут иметь малую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость. Для получения таких материалов испльзуют различные волокна: проволоку из вольфрама, молибдена, бора и т.д. в завимости от требуемых свойств создаваемого материала.Разработка техпроцессов