Применение порошковой металлургии в промышленности.Свойства и получение порошковых материалов
Введение
Порошковая металлургия занимается
изготовлением металлических порошков и разнообразных изделий из них.
Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода
изготовления различного рода материалов является применение исходного сырья в
виде порошков, которые затем прессуются (формуются) в изделия заданных размеров
и подвергаются термической обработке (спеканию), проводимой при температурах
ниже температуры плавления основного компонента шихты /1/.
Порошковая технология –
это широкая область получения дисперсных тел, применяемых в разнообразных
отраслях производства – порошковой металлургии, керамической промышленности,
получении пищевых и лекарственных продуктов, удобрений, топлива, строительных
материалов и др. /2/. Вследствие некоторого внешнего сходства технологии
порошковой металлургии с технологией керамического производства, изделия,
изготавливаемые методами порошковой металлургии, широко известны также под названием
металлокерамических.
Основными элементами
технологии порошковой металлургии являются следующие:
·
получение и
подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой
чистые металлы или сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные другие
химические соединения;
·
прессование из
подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах, т.е.
формование будущего изделия;
·
термическая
обработка или спекание спрессованных изделий, придающее им окончательные
физико-механические и другие
·
специальные
свойства.
В производственной или
исследовательской практике иногда встречаются отклонения от этих типичных
элементов технологии, например совмещение операций прессования и спекания,
пропитка пористого брикета расплавленными металлами, дополнительная
механическая и другая обработка спеченных изделий и пр. Однако основной принцип
технологии – применение исходной порошковой шихты и спекание ниже температуры
плавления основного элемента, образующего спрессованное тело – остается неизменным
/1/.
Метод порошковой
металлургии обладает рядом преимуществ:
·
возможность
изготовления материалов, содержащих наряду с металлическими составляющими и
неметаллические, а также материалов и изделий, состоящих из двух (биметаллы)
или нескольких слоев различных металлов;
·
возможность
получения пористых материалов с контролируемой пористостью, чего нельзя
достигнуть плавлением и литьем.
Наряду с преимуществами
порошковой металлургии следует отметить и недостатки, затрудняющие и
ограничивающие широкое ее распространение. К основным недостаткам следует
отнести высокую стоимость порошков металлов и отсутствие освоенных методов
получения порошков сплавов – сталей, бронз, латуней и пр. Изделия, получаемые
из металлических порошков, вследствие пористости обладают повышенной
склонностью к окислению, причем окисление может происходить не только с поверхности,
но и по всей толщине изделия. Металлокерамические изделия обладают также сравнительно
низкими пластическими свойствами (ударная вязкость, удлинение) /3/.
1 Методы
изготовления порошковых материалов
Порошковый материал –
совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения с размерами
до 1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой /4/.
Все сыпучие тела состоят
из частиц и межчастичных (внешних) пор. Частицы порошков, в свою очередь, могут
подразделяться на более мелкие структурные элементы. Металлические частицы
практически всегда содержат примеси, распределенные как по поверхности, так и в
виде внутренних включений, и часто имеют внутричастичные поры.
Частицы могут иметь самую
разнообразную форму. Можно подразделить различные структуры на три основные
группы:
·
волокнистые или
игольчатые частицы, длина которых значительно превышает их размер по другим
измерениям;
·
плоские частицы
(пластинки, листочки, таблицы), длина и ширина которых во много раз больше
толщины;
·
равноосные
частицы с примерно одинаковыми размерами по всем измерениям.
Частицы отделены одна от
другой порами (межчастичными) и контактными промежутками. Поры в непрессованных
порошках занимают обычно 70-85% всего объема. Кроме пор межчастичных, порошки
могут иметь и внутричастичные поры. Размер межчастичных пор увеличивается с
повышением размера частиц и уменьшением плотности их укладки.
Вследствие значительного
размера удельной поверхности количество поверхностных примесей на единицу массы
(главным образом окислов) у порошков, особенно тонких, значительно больше, чем
у компактных тел. В порошках также имеются и внутричастичные примеси –
включения загрязнений, окислов и т.п. Возможно также механическое загразнение
порошков отдельными частицами примесей /5/.
Производство порошка –
первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Существующие
способы получения порошков весьма разнообразны – это делает возможным придания
изделиям из порошка требуемых физических, механических и других свойств. Также
метод изготовления порошка определяет его качество и себестоимость. Выделяют
два способа получения порошков: физико-химические и механические.
К физико-химическим
методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с
глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате
полученный порошок по химическому составу существенно отличается от исходного
материала. К физико-химическим методам относятся: электролиз, термическая
диссоциация карбонильных соединений, восстановление оксидов твердыми
восстановителями и газами, метод испарения и конденсации и др.
Под механическими
методами получения порошков понимают технологические процессы, при которых в
результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в
порошок без изменения его химического состава. Чаще всего используется
измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций. К
механическим методам относят: измельчение металла резанием, размол в шаровых
мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках,
распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом.
Более универсальными
являются физико-химические методы, но в практике порошковой металлургии четкой
границы между двумя методами получения порошка нет. Чаще всего в
технологическую схему производства порошка включаются отдельные операции как
механических, так и физико-химических методов получения порошка.
Получение металлических
порошков путем восстановления из оксидов является наиболее распространенным,
высокопроизводительным и экономичным методом /6/.
Восстановление – процесс
получения металла, материала, вещества или их соединений путем отнятия
неметаллической составляющей (кислорода или солевого остатка) из исходного
химического соединения /4/.
Порошки, получаемые
восстановлением, имеют низкую стоимость, а в качестве исходных материалов при
их получении используются рудные концентраты, оксиды, отходы металлургического
производства. Эта особенность метода восстановления обусловила его широкое
практическое применение. В настоящее время этим методом получают порошки многих
металлов /6/.
В общем случае химическую
реакцию восстановления можно представить:
MeX + B ↔
Me + BnXm ± Q,
где Х – неметаллическая
составляющая,
В – восстановитель
(углерод в виде кокса, сажи, древесного угля, природных газов; Н2; СО; СО2; активные
металлы) /4/.
Восстановление металлов
из оксидов может производиться твердыми или газообразными восстановителями. К
числу активных газообразных восстановителей относятся водород, окись углерода
и различные газы, содержащие СО и Н2. В качестве твердого восстановителя
используют углерод и металлы, имеющие большее химическое сродство к кислороду:
натрий, кальций и магний. Восстановление одних металлов при помощи других,
имеющих большее сродство к кислороду, называется металлотермией.
Среди восстановителей
углерод (благодаря низкой стоимости и простоте процесса восстановления) находит
широкое применение. Недостатком процесса является возможность науглероживания
восстанавливаемых металлов, что ограничивает этот процесс. Восстановление
углеродом наибольшее распространение имеет при получении порошков железа, хрома,
вольфрама и некоторых других металлов, а также при непосредственном получении
порошков из оксидов карбидов.
В связи с тем, что металлы
по восстановимости оксидов разделяются на легко восстановимые (медь, никель,
кобальт, железо, вольфрам и молибден) и трудно восстановимые (хром, марганец,
ванадий, алюминий, магний), для восстановления многих оксидов требуются более
сильные по сравнению с углеродом восстановители. Нередко для получения
порошков, не загрязненных углеродом, например, порошков кобальта, вольфрама,
молибдена, в качестве восстановителя применяется водород.
Независимо от
восстановителя метод получения порошков восстановлением является гибким
процессом. Частицы порошков получаются губчатыми в виде многогранников с сильно
развитой поверхностью, которые благодаря большой пористости хорошо прессуются.
Размеры частиц определяются температурой восстановления: чем ниже температура,
тем мельче получаются частицы порошков.
Восстановление
металлических оксидов металлами применяется только в том случае, когда
восстановление углеродом или газом является невозможным или непрактичным /6/.
2 Методы
контроля свойств порошков
2.1 Химические
свойства
Химические свойства
порошков зависят от содержания основного металла или основных компонентов,
входящих в состав комплексных порошков, а также от содержания примесей,
различных механических загрязнений и газов. Также важными химическими
особенностями порошков являются их воспламеняемость, взрываемость и
тоскичность.
Содержание основного
металла в порошке или сумма основных компонентов сплава составляет обычно более
98-99%, что для последующего изготовления большинства порошковых материалов
достаточно. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами
(например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.
Предельное количество
примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой продукции.
В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода,
водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших
внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.
Воспламеняемость порошка
связана с его способностью к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей
атмосферой, которая при относительно невысоких температурах может привести к
воспламенению порошка или даже взрыву.
Пожароопасность зависит
от химической природы и чистоты металла, крупности и формы частиц порошка,
состояния их поверхности (пленки оксидов уменьшают пожароопасность, а
шероховатость усиливает ее).
Воспламеняемость порошка
зависит от того, находится ли он в свободно насыпанном состоянии (в виде
аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (в виде аэрозоля). Для
аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения, а
также энергию воспламенения.
Взрываемость порошка.
Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка с кислородом приводят
к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием и
распространением взрывной волны (происходит взрыв).
Металлические порошки,
располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться. Поэтому, рассматривая
взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е. взвеси
металлических частиц в газе.
Характеристики
взрываемости зависят от дисперсности металлического порошка, степени его
окисленности и содержания кислорода в газовой фазе.
Токсичность порошка.
Практически пыль любоко из металлов, в том числе и совершенно безвредных в
компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать патологические
изменения в его организме, фиброгенные и аллергические заболевания. Степень
опасности для здоровья человека металлических пылей зависит от их химического
состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности
воздействия, путей проникновения в организм и т.д. Технологические и
санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях
концентрацию пыли на уровне ниже нормы ПДК /7/.
Согласно заданию дан
порошок ПХ30-1, полученный методом восстановления. Его химический состав: 70%
железа, 30% хрома.
2.2
Физические свойства
К физическим свойствам
порошка относятся форма и размер частиц, гранулометрический состав, удельная
поверхность частиц, пикнометрическая плотность и микротвердость.
Форма и размер частиц. В
зависимости от химической природы металла и способа получения, частицы порошка
могут иметь различную форму – сферическую (карбонильные), каплеобразную
(распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле в
вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в
шаровых и вибромельницах), волокнистую и лепесткововидную (получение при плющении).
Форма частиц порошков
оказывает большое влияние на насыпную плотность и прессуемость, а также на
плотность, прочность и однородность прессовок.
В зависимости от метода
получения порошков их размеры могут колебаться в больших пределах. В связи с
этим порошки классифицируются на ультратонкие с размером частиц до 0,5 мкм;
весьма тонкие – от 0,5 до 10 мкм; тонкие – от 10 до 40 мкм; средней тонкости –
от 40 до 150 мкм и крупные (грубые) – свыше 150 мкм.
Гранулометрический
состав. Размер частиц является важнейшей технологической характеристикой
порошков. Величина частиц, а особенно так называемый набор зернистости, т.е.
соотношение количества частиц разных размеров (фракций) выраженное в процентах,
называется гранулометрическим составом. Данные по гранулометрическому составу
входят в качестве обязательного требования к техническим условиям на порошки.
От размера частиц
порошков в сочетании с другими свойствами зависят насыпная плотность, давление
прессования, усадка при спекании,
механические свойства
готовых изделий.
Существует несколько
методов определения гранулометрического состава порошков: ситовый анализ,
микроскопический метод, седиментация и др. Самым простым и наиболее
распространенным является ситовый анализ, который состоит в просеивании пробы
порошка через набор сит, взвешивании отдельных фракций и расчета их процентного
содержания /8/.
Удельная поверхность
частиц. Под удельной поверхностью порошкообразных тел понимается суммарная
поверхность всех частиц порошка, взятого в единице объема или массы.
Удельная поверхность
зависит от размера и формы частиц, а также от степени развитости их
поверхности. Удельная поверхность возрастает с уменьшением размера частиц,
усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности.
Удельная поверхность –
важная характеристика, которая определяет поведение порошкового материала при
основных технологических операциях – прессовании и спекании.
Наиболее часто для
определения показателя удельной поверхности применяют методы измерения его
газопроницаемости и адсорбции /4/.
Пикнометрическая
плотность. Исследование плотности металлических порошков в зависимости от
метода их получения показывает, что фактическая плотность частиц порошка
значительно отличается от плотности, вычисленной на основе рентгенографических
данных при определении кристаллографической структуры металлического порошка.
Это различие в плотности объясняется наличием в металле порошка значительной
внутренней пористости, дефектов, оксидов и т.п. Поэтому в практике порошковой
металлургии важное значение приобретает фактическая плотность, которую
определяют пикнометрическим методом /8/.
Микротвердость частиц
порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Ее
величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также от условий
предварительной обработки порошка, изменяющей структуру его частиц.
Деформируемость имеет важное значение для оценки технологических свойств
порошков, главным образом их прессуемости /6/.
Микротвердость частиц
порошка определяют по методу Виккерса, т.е. вдавливанием алмазной пирамиды в
исследуемый материал с целью прогнозирования поведения порошка при прессовании
и для разработки новых материалов /4/.
2.3
Технологические свойства
Под технологическими
свойствами порошков понимается их насыпная плотность, текучесть, уплотняемость,
прессуемость и формуемость.
Насыпная плотность
порошка – масса единицы объема порошка при свободной насыпке.
Текучесть порошка –
способность порошка с определенной скоростью вытекать из отверстия. Этот
показатель важен для организации процесса автоматического прессования
заготовок. По стандарту текучесть выражают числом секунд, за которое 50 г
порошка вытекает через колиброванные отверстия конусной воронки.
Уплотняемость –
способность уменьшать занимаемый объем порошкового материала под воздействием
давления или вибрации. По стандарту эта характеристика оценивается по плотности
прессовок, изготовленных при давлениях прессования в цилиндрических прессформах
с заданным диаметром.
Прессуемость –
способность образовывать тело при прессовании, которое имеет заданные размеры и
форму.
Формуемость – способность
сохранять приданную ему под воздействием
давления форму в заданном интервале пористости. Формуемость порошка в основном
зависит от формы, размеров и состояния поверхности частиц. Как правило, порошки
с хорошей формуемостью обладают не очень хорошей прессуемостью, и наоборот. Чем
выше насыпная плотность порошка, тем хуже формуемость и лучше прессуемость /7/.
По заданию дан порошок
марки ПХ30-1, насыпная плотность которого составляет 2,14 г/см3.
3 Основные
закономерности прессования
3.1 Расчет
давления прессования
Для расчета давления
прессования целесообразно использовать уравнение М. Ю. Бальшина:
где Pmax [МПа]– давление прессования,
необходимое для получения беспористого тела.По физической сущности оно равно
давлению истечения материала и соответствует твердости наклепанного
упрочненного металла.
Pmax = 2100 МПа;
m – коэффициент, учитывающий природу
прессуемого материала и называется показатель прессования.
m = 4,1;
β – относительный
объем прессовки, связанный с относительной плотностью.
Плотность компактного
материала рассчитывается:
γк = 0,30 γCr + 0,70 γFe
где γCr = 7,19 г/см3
γFe = 7,874 г/см3
Тогда:
γк = 0,30 ∙ 7,19 + 0,70
∙ 7,874 = 7,67 г/см3
Пористость рассчитывается
по формуле:
Отсюда: γпресс =
γк - П·γк
П = 24% = 0,24
γпресс = 7,67 – 7,67∙0,24
= 5,829
Рассчитав γпресс и
γк можно найти γотн:
γотн = 5,829 / 7,67
= 0,76
Следовательно: β = 1
/ 0,76 = 1,32
Используя найденные
показатели можно рассчитать давление прессования:
Р = 2100 / 1,32 4,1 = 673
МПа
3.2 Расчет высоты матрицы прессформы
Изделие:
Рисунок 1 – Схема простейшей
прессформы для ручного прессования
D1 = D + 2a
D = d = 24 мм, а = 20 мм
Тогда D1 = 24 + 2∙20 = 64 мм
Рассчитываем высоту
матрицы прессформы:
,
h = 24 мм, lдоп =
20 мм, γнас = 2,14 г/см3
Тогда Н = 5,829/2,14 ∙
24 + 20 = 64 мм
hп =H+hдоп
hдоп = 5 мм
hп = 85,4 + 5 = 90,4 мм
При давлении прессования
673 МПа выбираем антифрикционный материал – 5К6.
3.3 Расчет
массы навески порошка
Масса навески порошка
рассчитывается формуле:
m=0,79d3 γк
где d – диаметр отверстия матрицы прессформы
Тогда m = 0,79∙2,43∙7,67 = 6,06
г
3.4 Выбор
прессформы
Основным приспособлением
при прессовании металлических порошков является прессформа. Конструкция
пресс-формы определяется такими факторами, как характер приложения давления при
прессовании – одностороннее или двухстороннее; применяемый способ извлечения
изделия из пресс-формы – выталкивание или разборка пресс-формы; количество одновременно
прессуемых изделий – одно или многоместная пресс-форма; и, наконец, метод
работы – индивидуальное прессование с ручной распрессовкой или применение
полностью автоматизированного процесса.
Для данного порошка
выбираем разборную прессформу с односторонним прессованием.
Рисунок 2 – разборная
прессформа
1 – башмак; 2 – крепежный
болт; 3 – щеки; 4 – пунсон; 5 – подкладка; 6 – прессовка.
Прессформа состоит из
матрицы, пунсона и подставки. Матрица служит для вмещения порошка и
формирования боковой поверхности прессовки. Пунсон – подвижная часть, служащая
для формирования верхней поверхности прессования и обжатия порошка. Подставка
служит для формирования нижней поверхности и предохраняет порошок от высыпания
из прессформы. Разборные прессформы применяют при прессовании заготовок сложной
формы. Разборная прессформа собирается в специальном башмаке и прочно в нем
закрепляется. Прессовка удаляется после разборки прессформы /3/.
4
Технологические режимы спекания
Спекание – это нагрев и
выдержка порошковой формовки при температуре ниже точки плавления основного
компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических
свойств. Под спеканием понимают термическую обработку, приводящую к уплотнению
свободно насыпанной или спрессованной массы порошка. Спекание сопровождается
протеканием физико-химических процессов, которые обеспечивают большее или
меньшее заполнение пор.
Для однокомпонентных
систем технологическая температура спекания составляет 0,6-0,9 от температуры
плавления основного компонента.
Многокомпонентные системы
спекают при температуре, равной или немного большей, чем температура плавления
наиболее легкоплавкого компонента.
Спекание является
заключительной технологической операцией, которая и определяет сущность метода
порошковой металлургии. В процессе проведения спекания порошковая формовка
превращается в прочное порошковое тело со свойствами, приближающимися к
свойствам компактного беспористого материала.
Во время спекания
происходит:
·
изменение
размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел;
·
протекают
процессы граничной, поверхностной и объемной диффузии;
·
наблюдается
различные дислокационные явления;
·
осуществляется
перенос через газовую фазу;
·
протекают
химические реакции и различные фазовые превращения;
·
имеет место
релаксация микро- и макронапряжений;
Согласно заданию был
предложен порошок марки ПХ30-1, который относится к многокомпонентной системе.
Температуры плавления основных компонентов:
tплавFe=1539oС
tплавCr=1890oС
Выбираем температуру
спекания приблизительно равной температуре плавления самого легкоплавкого
компонента - температуру плавления железа tплавFe=1539oС. Спекание проводим в вакууме.
Температура спекания выше 1200oС, следовательно,
время выдержки составляет 4 часа.
5
Применение порошковых материалов
Методом порошковой
металлургии можно получить такие электротехнические материалы и сплавы, которые
трудно или совершенно невозможно получить другими известными способами.
Например, различные сплавы из металлов, не сплавляющихся между собой:
вольфрам-медь, вольфрам-серебро и т.п., а также из металлов и неметаллов:
медь-графит, серебро-окись кадмия и т.д., которые находят широкое
распространение в электро- и радиотехнике.
Методом порошковой
металлургии можно также получить сплавы с точно заданным составом, обладающие
очень низким и очень высоким электросопротивлением.
Металлокерамические
материалы применяют в электро- и радиовакуумной промышленности при изготовлении
ламп накаливания, в рентгеновских трубках, катодных лампах, выпрямителях и
усилителях, генераторных лампах, кенотронах, газотронах и т.д. Так, например,
для изготовления нитей накаливания обычных осветительных электроламп
применяется вольфрам, получаемый методами порошковой металлургии.
Широкое внедрение в
промышленность электронагрева различных материалов внесло значительное
изменение в технологию производства. В развитии электронагревательных злементов
большая роль принадлежит металлокерамическим материалам.
Промышленное
использование высоких потенциалов выдвигает необходимость в разработке контактных
устройств из тугоплавких материалов, которые должны обладать высокой
теплопроводностью и электропроводностью, иметь высокую степень прочности в
условиях ударных нагрузок при высоких температурах, незначительную склонность к
свариванию и прилипанию. Изготовление контактных материалов, обладающих таким
сочетанием свойств, возможно только методами порошковой металлургии /9/.
Современные резцы из
твердых сплавов, полученные методом порошковой металлургии, вызвали подлинную
революцию в обработке металлов резанием и в горном деле. Скорость обработки
металлов увеличилась в десятки раз.
Успешно применяются в
промышленности различные металлокерамические антифрикционные материалы, а также
пористые подшипники, фильтры и многие другие изделия /3/.
Заключение
Согласно варианту задания
был дан порошок марки ПХ30-1, из которого требуется изготовить деталь методом
порошковой металлургии цилиндрической формы с заданными размерами: d = 24 мм, h = 24 мм.
Данный порошок содержит
70% железа и 30% хрома, насыпная плотность составляет γнас = 2,14 г/см3.
Изделие изготавливается
методом одностороннего прессования в разборной прессформе с размерами D = 24 мм,D1 = 64
мм, H = 64 мм, hп =
90,4 мм. матрица и пуансон прессформы изготовлены из антифрикционного материала
– 5К6. Давление прессования составляет 673 МПа.
Спекание проводят в
вакууме при температуре 1539oС в
течение 4 часов.
Изделия, изготавливаемые
из данного образца, находят разнообразные области применения.
Список
использованных источников
1.
Федорченко И. М.
Основы порошковой металлургии.– Киев: Издат. Академии наук Украинской ССР, 1961
2.
Андреевский Р. А.
Порошковое материаловедение.– М.: Металлургия, 1991
3.
Цукерман С. А.
Порошковая металлургия.– М.: Издат. Академия наук СССР, 1958
4.
Курс лекций
5.
Бальшин М. Ю.
Порошковое металловедение.– М.: Металлургиздат, 1948
6.
Кипарисов С. С.,
Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.:
Металлургия, 1991
7.
Методические
указания
8.
Ермаков С. С.,
Вязников Н. Ф. Порошковые стали и изделия. – 4-е изд. перераб. и доп. – Л.:
Машиностроение. Ленинград. отд., 1990
9.
Вязников Н.Ф.,
Ермаков С.С. Применение порошковой металлургии в промышленности. – М.: Гос.
научно-технич. издат. машиностроит. литературы, 1960