Технологические свойства порошков.

ПРОИЗВОДСТВО ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Общие сведения.

Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся получением порошков металлов и металлоподобных соединений, и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно, или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, в ряде случаев существенно повышаются экономические показатели производства. При этом способе, практически в большинстве случаев коэффициент использования материала (95…97 %, 100 %).

Подсчитано, что использование 1 тыс. тонн деталей из порошков высвобождает от 1,5 до 2 тыс. тонн проката и отливок. На Горьковском автозаводе, например замена бронзы металлокерамическими материалами на основе железного порошка при изготовлении только шести деталей позволила сэкономить 370 тонн металла, в том числе около 115 тонн бронзы.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощитки др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и золота применяли в красках для декоративных целей в керамике, живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за 3000 лет до н.э.), знаменитый памятник из железа в Дели относится и 300 году нашей эры. До XIX века не было известно способов получения высоких температур (около 1600… 1800 °С).

Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала в горнах при температуре 1000 °С восстановлением железной руды углем получали крицу (губку), которую затем многократно проковывали в нагретом состоянии, а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости. На Киевской Руси железо получали за 1400 лет до новой эры.

С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее в особый технологический метод обработки принадлежит русским ученым П.Г. Соболевскому и В.В. Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали в лаборатории Петербургского горного кадетского корпуса (в последствии горного института) технологию прессования и спекания изделий из тугоплавкого металла платины.

В конце столетия начали готовить из тугоплавкого вольфрама нити для электроламп, медно-графитовые щетки для электрических машин, изготовить которые обычными металлургическими методами было невозможно.

В дальнейшем порошковая металлургия начала находить все новые и новые области применения.

Порошковой металлургией получают детали из особо тугоплавких металлов таких как вольфрам, тантал, молибден с температурой плавления свыше 1600 °С. Тугоплавкие карбиды, бориды, нитриды могут быть получены только методами порошковой металлургии. Температура спекания изделий из тугоплавких карбидов титана, циркония, гафния превышает 2000 °С, для карбидов ниобия и тантала достигает 2500…2700 °С.

Способами порошковой металлургии можно получать пористые материалы и детали из них, материалы из металлов нерастворимых друг в друге (вольфрам и медь, железо и свинец и др.).

Велика роль порошковой металлургии в создании деталей для космических кораблей. Из металлических порошков делают фильтры для топливных систем ракет, детали для узлов двигателей, магниты, сопла и др.

Материалы порошковой металлургии, в частности, железографит и бронзографит заменяют бронзу, латунь, медь, никель и другие цветные металлы и сплавы; электроконтактные композиции позволяют сократить расход серебра, золота, иридия и платины.

Особую группу изделий, производство которых освоено в порошковой металлургии, представляют "керметы". Это тугоплавкие окислы и другие соединения, сплавленные с металлами. Они выдерживают очень высокие температуры (несколько тысяч градусов) и, соответственно, применяются в областях техники, связанной с действием высоких температур (реактивная техника, котлостроение, металлургия).

Во всем этом большая заслуга принадлежит русским, советским и российским ученым и практикам.

Еще одной важной отраслью порошковой металлургии является производство металлургических порошков, предназначенных для непосредственного использования (краски, пиротехнические и взрывчатые смеси, катализаторы, и др.).

Спектр применения спеченных материалов и изделий во всех областях техники очень широк.

В металлообрабатывающей промышленности – это твердосплавные инструменты; в горнодобывающей и нефтяной промышленности – наплавочные и армирующие твердые сплавы и алмазно – металлические композиции, применяемые для оснащения бурового инструмента; в металлургической промышленности – присадочные порошковые металлы и ферросплавы – модификаторы. В сварочной технике порошки применяют для наплавки, специальной резки и изготовления обмазок. В машиностроении, приборостроении, транспортном машиностроении, автомобилестроении и авиации метод порошковой металлургии используют для изготовления различных износостойких деталей машин и механизмов, изделий с высокими антифрикционными и фрикционными свойствами.

В современной электротехнике трудно указать прибор или устройство, в которых не находили бы применения спеченные изделия, идет ли речь о тончайших электронных приборах или крупнейших энергетических сооружениях и печных агрегатах.

Однако на пути развития порошковой металлургии встречаются и трудности, которые в известной степени ограничивают масштабы производства спеченных материалов и изделий. Прежде всего – это сравнительно высокая стоимость исходных порошков и инструмента для формирования заготовок, что делает экономически выгодным лишь крупномасштабное производство. Это обстоятельство в основном справедливо по отношению к производству различных машиностроительных деталей на основе железного порошка. Во многих других случаях уникальные свойства спеченных изделий обеспечивают технико – экономические преимущества методу порошковой металлургии и при значительно меньших масштабах производства.

Современное машиностроение определило новые изыскания в порошковой металлургии с использованием разнообразных вариантов горячего прессования, всестороннего (изостатического) прессования, пропитки жидкими металлами пористых заготовок (шликерное формирование), динамическое прессование, в том числе с помощью энергии взрыва. На пути изысканий возникла и проблема прокатки порошков, ныне успешно решенная в России и за рубежом.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций:

- получение порошка металла или смеси порошков разнородных материалов,

- формование заготовок,

- спекание (нагрев),

- окончательная обработка (доводка, калибровка, уплотняющее обжатие, термообработка).

Основные направления развития порошковой металлургии:

- создание и освоение новых технологических процессов и оборудования для производства порошков;

- преодоление трудностей при производстве спеченных материалов и изделий со специфическими свойствами, недостижимыми другими технологическими способами (например, литьем с последующей механической обработкой),

- разработка новых технологий формирования и спекания машиностроительных деталей, в основном сложной формы с использованием как холодного, так и новых способов формования - изостатического и горячего динамического прессования, штамповки, прокатки, электроразрядного спекания и энергии взрыва;

- создание и освоение производства спеченных дисперсно - упрочненных и армированных волокнами жаропрочных композиционных и огнеупорных материалов на основе порошков бескислородных тугоплавких соединений, порошков металлов и сплавов;

- создание и освоение производства спеченных материалов для деталей машин, приборов, оснастки, работающих в условиях действия высоких напряжений, температур, агрессивных сред, инертных сред и интенсивного износа;

- создание и освоение новых электроконтактных материалов для разрывных и скользящих контактов, приборов и др.;

- совершенствование и разработка новых технологий получения порошков высоколегированных инструментальных и жаропрочных сплавов;

- усложнение геометрии, повышение точности размеров деталей и сведения к минимуму их окончательной обработки;

- получение деталей из порошков с применением горячей ковки;

- преодоление трудностей при получении порошков из титана, циркония, рения, тория и др., а также при формовании их в изделия.

Технологические свойства порошков.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5…500 мкм) различных металлов и сплавов.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость, спекаемость, насыпная масса.

Текучесть - способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5…4,0 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 и повышается с введением в его состав поверхностно - активных веществ.

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

Насыпанная масса – масса единицы объема свободно насыпанного порошка. Стабильность насыпанной массы обеспечивает постоянную усадку при спекании. Она зависит главным образом от формы и размеров частиц.