Порошковая металлургия

     Рис. 1. Схема двухстороннего прессования  порошковых материалов:

     а – без нагрева, б – с нагревом

     Использование вибрации при прессовании повышает плотность прессовки. Импульсные методы формования применяют для труднопрессуемых порошков или если необходимо получить особые свойства материала.

     Формование  порошка также осуществляют в  гидро- и газостатах (изостатическое), прокаткой, на гидродинамических машинах  и с использованием взрывчатых веществ (импульсное), на вибрационных установках (вибрационное), продавливанием через отверстие в инструменте (экструзия или мундштучное прессование), заливкой в формы – шликерное литьё, при котором в форму заливают суспензию, содержащую порошок и жидкую связку, и др.

     Изостатическое  формование осуществляют в условиях всестороннего сжатия, что обеспечивает не только равномерную плотность, но и устраняет анизотропию свойств (рис. 2).

     Рис. 2. Система изостатического формования:

     1 – рабочий цилиндр; 2 – пуансон; 3 – пресс-шайба; 

     4 – рабочая жидкость; 5 – матрица; 6 – уплотнитель;

     7 – матрицедержатель; 8 – контейнер  с материалом

     Прокатку порошков применяют для изготовления заготовок из конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных, пористых (фильтрующих) материалов (рис. 3). 

     Рис. 3. Схема прокатки с вертикальной (а) и 

     горизонтальной (б) шнековой подачей порошка 

     Для получения изделий сложной формы  используют шликерное литьё. После заполнения формы жидкая составляющая шликера удаляется нагревом. 

4. Спекание порошковых материалов 

     Вид термической обработки, позволяющий  получить конечные свойства материала  и изделия, называется спеканием. Оно заключается в нагреве и выдержке сформованного изделия (заготовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента. Для многокомпонентных систем различают твёрдофазное и жидкофазное спекание.

     Твёрдофазное  спекание сопровождается возникновением и развитием связей между частицами, образованием и ростом контактов (шеек), закрытием сквозной пористости, укрупнением и сфероидизацией пор, уплотнением заготовки за счёт усадки (рис. 4, а). В процессе спекания происходит массоперенос вещества через газовую фазу за счёт поверхностной и объёмной диффузии, вязкого течения, течения, вызванного внешними нагрузками (спекание под давлением). При спекании наблюдается также рекристаллизация (рост одних зёрен за счёт других той же фазы). Уплотнение при нагреве в основном происходит за счёт объёмной деформации частиц, осуществляемой путём объёмной самодиффузии атомов.

     Рис. 4. Поверхности излома спечённых порошковых материалов (а) и образование межпластинчатого контакта в условиях жидкофазного спекания (б)

     Жидкофазное спекание протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твёрдую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Плохая смачиваемость препятствует уплотнению. Твёрдая фаза  в зоне контакта может растворяться в жидкой, интенсифицируя процессы массопереноса (рис. 4, б). Различают системы с нерастворимыми компонентами, с ограниченной растворимостью и со значительной взаимной растворимостью компонентов. Жидкофазное спекание таких систем имеет свои особенности, связанные с преобладанием одной из стадий:

     - вязкое течение жидкости – перегруппировка частиц;

  - растворение – осаждение; образование жёсткого скелета.

     Совмещение  процесса прессования и спекания наблюдается при горячем прессовании, которое производится при температуре (0,5…0,9)Т_пл  основного компонента. Высокая  температура прессования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время выдержки составляет от 15…30 мин до нескольких часов. Горячее прессование применяют для труднопрессуемых порошков с целью получения высоких физико-механических свойств. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру. Пресс-форму, в которой осуществляют горячее прессование, изготавливают из жаропрочных материалов, а при прессовании тугоплавких соединений – из графита, прочность которого с увеличением температуры повышается. 

     5. Свойства и области применения порошковых материалов 

     Антифрикционные пористые материалы изготавливают на основе порошков железа или меди с пропиткой жидкой смазкой (маслом) или с добавками твёрдой смазки (графит, свинец, дисульфид молибдена, сернистый цинк). Данные материалы обладают высокими триботехническими свойствами, хорошей прирабатываемостью, высокой теплопроводностью, достаточной вязкостью при ударной нагрузке, обеспечивают низкий коэффициент трения.

     К фрикционным относят материалы с высоким коэффициентом трения. Они обладают высокой фрикционной теплостойкостью и коррозионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа с металлическими и неметаллическими компонентами для деталей, работающих в масле (75%) и при сухом трении. Фрикционные изделия состоят из стальной основы и фрикционных накладок, которые припекаются к основе под давлением.

     Электротехнические материалы подразделяются на электроконтактные (металлические, металлографитовые, металлооксидные и металлокарбидные), магнитомягкие (железоникелевые сплавы, сплавы железа с кремнием и алюминием или хромом и алюминием), магнитотвёрдые (сплавы на основе                       Fe–Al–Ni(Co), называемые альни, альнико, магнико), магнитодиэлектрики (карбонильное железо, пермаллой, альсифер), ферриты (Fe₃О₄  с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO).

     Аморфные материалы, получаемые быстрым (со скоростью               10⁵ …10^{6  0}С/с) охлаждением расплава (Fe₄₀N₄₀P₁₀B₈O), являются новым классом магнитных материалов, из которых изготавливают магнитные экраны, трансформаторы и электродные приборы.

     Спечённые конструкционные материалы изготавливаются на основе конструкционной стали (углеродистой, меднистой, кремнистой, молибденовой, хромомолибденовой), титановых и алюминиевых сплавов.

     Повышение твёрдости обрабатываемых заготовок  потребовало расширения диапазона  используемых режущих материалов от твёрдых сплавов, минералокерамических материалов до искусственных алмазов  и других сверхтвёрдых материалов, получаемых методами порошковой металлургии.

     Твёрдые сплавы используют в режущих и  контрольно-измерительных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, матрицах и пуансонах при штамповке  и прессовании. В машиностроении и приборостроении широко применяют  армированные твёрдыми сплавами детали. Например, в текстильной промышленности применяют твёрдые сплавы для направляющих колец и других трущихся деталей; в порошковой металлургии твёрдые сплавы используют для размольных тел и прессового инструмента.

     Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой обработки резанием чугунов, закалённых и улучшенных сталей, цветных и тугоплавких сплавов при высоких (до 800 м/мин) скоростях резания. Основу минералокерамики составляет - модификация Al₂O₃ (электрокорунд) зернистостью до 1 мкм. Плотность кермета (керамики с металлической связкой) составляет 3,96 г/см³ , твёрдость – HRA до 92 единиц. Оксидокарбидная керамика имеет плотность 4,2 … 4,6 г/см³ и твёрдость – HRA 92 … 94 единицы.

     Эрозионно-стойкие и потеющие материалы обладают комплексом свойств, которые невозможно получить в сплавах. Они изготавливаются на основе тугоплавких металлов или углерода в виде композиций.

     Например, путём пропитки вольфрамового или  углеродного каркасов жидкой медью  или серебром. Детали из такого материала работают в двигателях при температуре свыше 2500  ⁰С. Во время работы медь (серебро) испаряется, что понижает тепловой поток и улучшает условия работы вольфрамового или углеродного каркасов. 

      Заключение 

     Итак, изучив порошковую металлургию можно сделать вывод, что технология  получения металлокерамических материалов и деталей состоит из ряда последовательных операций: получение металлических порошков, формование, спекание.

     Совокупность  основных и дополнительных технологических  операций (резание, сверление, шлифование, калибрование и др.) позволяет решать с помощью порошковой металлургии две задачи:

1. Изготавливать материалы и изделия с особыми составами, структурой и свойствами, которые недостижимы другими методами производства;
2. Изготавливать материалы и изделия с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства.

      Список литературы: 

1. Технология  конструкционных материалов: учебник/ О.С. Комаров, В.Н. Ковалевский, А.С. Чаус и др.; под общей редакцией О.С. Комарова. -  Мн.: Новое знание, 2005. – 560 с.
2. Технология металлов. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В., Арутюнова И.А., Шабашов С.П., Ефремов В.К., «Металлургия», 1974. 648 с.
3. Знакомьтесь – порошковая металлургия. Либенсон Г.А. М., «Металлургия», 1976. 56 с.