Технология производства деталей методом порошковой металлургии. Материалы порошковой металлургии. Физико-химические способы получения порошков

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.

Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся изготовлением материалов и деталей из металлических порошков.

Порошковая металлургия позволяет получать материалы и детали, обладающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными свойствами, полупроводниковые материалы, материалы, не смешивающиеся в расплавленном виде и не образующие твердых растворов, пористые материалы, материалы высокой чистоты, заданного химического состава и др.

Методами порошковой металлургии зачастую могут быть получены детали, которые получают и литьем, но при этом потери значительно меньше: 3– 7%, тогда как при литье они достигают 50–80%. Механические свойства полученных изделий незначительно уступают свойствам литых и кованых изделий. Изделия, полученные порошковой металлургией, по точности размеров и шероховатости поверхности не требуют дополнительной обработки.

Сущность способа заключается в спекании при высокой температуре специально подготовленного брикета. Брикет получают прессованием металлических порошков под давлением. По форме и размерам брикет представляет собой будущую деталь.

Металлические порошки получают двумя основными методами: механическим (размол в шаровых или вихревых мельницах) и физико-химическим (восстановление из окислов, электролиз и др.)

Технологический процесс металлокерамики складывается из следующих операций: 1) приготовление шихты требуемого состава; 2) дозирование; 3)

формование детали; 4) спекание; 5) калибровка.

Сначала порошки очищают химическим, гидромеханическим или магнитным способами, затем проводят измельчение для выравнивания зернистости в шаровых мельницах. Возникающий при этом наклеп снимают отжигом в защитной атмосфере. Далее шихту просеивают и смешивают в вибрационных или барабанных смесителях.

Полученную шихту дозируют по массе или по объему.

Рисунок 1 –

Формование (получение брикета заданной формы и размеров) осуществляют путем прессования в стальных пресс-формах, реже прокаткой (для получения листа, полосы или ленты). Прессование осуществляют на механических и гидравлических прессах, жидкостью через пластичную оболочку, взрывом и т.д. В зависимости от размеров детали применяют одностороннее или двухстороннее (рисунок 1) прессование.

Спекание отформованных брикетов (деталей) производят в водородных или вакуумных печах при температуре t сп =(0,7–0,8)t пл , 0С, где t пл – температура плавления основного компонента шихты.

В результате спекания происходит настолько прочное сцепление частиц порошка (вследствие диффузии), что отдельные частицы порошка как бы перестают существовать самостоятельно. В результате спекания происходит: а) упрочнение и изменение физико-химических свойств, вследствие изменения величины и качества контактных участков; б) изменение размеров детали (усадка или рост); в) изменение микроструктуры (рост зерен и др.).

Время спекания составляет 0,5–6 часов. Горячее прессование, заключающееся в одновременном прессовании и спекании, сокращает время в 20–30 раз, производится при более низкой температуре и давлении, чем спекание. Однако недостатком горячего прессования является малая стойкость пресс-форм.

Калибровка в специальных пресс-формах (после спекания) при давлениях до 1000 МПа повышает точность до 8–10 квалитетов и снижает шероховатость поверхности до R z = 10–3,2 мкм . После калибрования на поверхность детали можно наносить любое гальваническое или другое покрытие. Размеры калибровочных пресс-форм должны отличаться от номинальных размеров детали на величину упругого последействия, составляющего 0,11–0,12%.

Рассмотренная технология нашла самое широкое применение в промышленности, в том числе и при производстве и ремонте вооружения. Так получают весь твердосплавный режущий инструмент (из смеси порошков карбидов вольфрама, титана, тантала и связки - кобальта); жаропрочные спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС); спеченные ленту и проволоку для наплавки при восстановлении деталей вооружения; пористые спеченные материалы с заданным размером пор для изготовления подшипников, фильтров и т.п.; спеченные материалы с закрытыми порами (газонаполненные материалы), сердечники бронебойных снарядов (из порошков карбидов тяжелых металлов) и многое другое.

В состав спеченных материалов (их называют псевдосплавами) можно включать неметаллические компоненты - графит, глинозем, карбиды, бориды, придающие им особые свойства. Получить обычные (литые) сплавы с такими свойствами невозможно. По такой технологии получают детали из ферритов, альсиферов и других материалов.

В последнее время все шире порошковая металлургия применяется для получения деталей из обычных конструкционных материалов (стали, чугуны, цветные сплавы и т.п.). Это объясняется тем, что этой технологии свойственны исключительно малые отходы. Так, при изготовлении сложных изделий по обычной технологии (ковка) коэффициент использования металла не превышает 0,3–0,4, а по методу порошковой металлургии - он будет близок к 0,95.

Технологии получения порошковых быстрорежущих сталей

Традиционная технология получения быстрорежущих сталей включает в себя выплавку стали и последующую горячую обработку слитков (ковка слитков; обрезка концов заготовки; отжиг заготовки; шлифование заготовки; контроль заготовки; горячая прокатка; обрезка концов проката; отжиг проката; шлифование; контроль заготовки; горячая прокатка; отжиг прутка; правка прутка; контроль заготовок прутка) .

Горячая обработка позволяет уменьшить отрицательные последствия литья - снизить неоднородности распределения карбидов в готовом материале. Высокая вторичная твердость и большие различия физико-механических свойств отдельных фаз в быстрорежущих сталях затрудняют их горячую обработку и приводят к значительным потерям металла (до 50 % от массы литья), поэтому они являются одним из самых дорогостоящих сортов сталей. Известно , что стоимость производства быстрорежущих сталей примерно в 17 раз выше стоимости производства углеродистой стали и примерно в четыре раза выше стоимости производства коррозионно-стойкой хромоникелевой стали (в настоящее время это различие еще увеличилось).

Необходимо отметить, что быстрорежущим сталям, полученным по традиционной технологии, присущ ряд недостатков, сдерживающих дальнейшее развитие этого класса инструментальных материалов. Такими недостатками являются карбидная ликвация в слитке, не устраняемая полностью даже после многократной пластической деформации и значительно снижающая технологическую пластичность заготовок, значительная деформация инструмента при термической обработке, плохая шлифуемость и др. Поэтому совершенствование инструмента из быстрорежущей стали (оптимизация состава материала, технология изготовления и др.) является одним из важных направлений повышения эффективности металлургического и машиностроительного производства в целом.

Производство быстрорежущей стали методами порошковой металлургии позволяет исключить ряд названных выше недостатков и эффективно воздействовать на состав и свойства получаемого материала.

Методы порошковой металлургии включают в себя получение порошка с размером частиц от 40 до 600 мкм посредством распыления жидкого металла потоком газа под давлением 1...1,5 МПа или воды под давлением 3,5...5 МПа и изготовление из него компактных заготовок различными способами горячей пластической деформации . Основные способы получения инструмента из порошков быстрорежущих сталей приведены на рис.

4.2. По технологической схеме 1, в которой обработка давлением не применяется, получают заготовки неперетачиваемых или напайных пластин типа твердосплавных и заготовки фасонного инструмента с минимальными припусками под шлифовку и заточку. По схемам 2..4, в которых используются различные способы горячей пластической деформации, получают соответствующие виды металлургических полуфабрикатов.

Наиболее распространена схема получения изделий из порошковой быстрорежущей стали, получившая название Asea-Stora процесса . В этом случае распыленные газом порошки компактируют горячим изостатическим прессованием при давлении 100...200 МПа и температуре 1000...1200 0С. Перед горячим прессованием возможно использование холодного изостатического прессования с усилием около 0,4 МПа, хотя получаемые таким образом прессовки имеют почти 100 %-ю плотность, их микроструктура несколько неоднородна - попадаются частицы

Рис. 2 Схемы (1...4) получения инструмента из порошков быстрорежущих сталей

с недостаточно раздробленной карбидной сеткой. Последующая горячая пластическая деформация прессовок (ковка или прокатка) с суммарной степенью деформации около 50 % увеличивает однородность микроструктуры и обеспечивает повышение механических свойств получаемой стали.

Отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что методы порошковой металлургии позволяют получать быстрорежущие стали с однородной мелкодисперсной структурой и высокими механическими свойствами. Порошковая быстрорежущая сталь по сравнению с быстрорежущей сталью традиционного металлургического производства обладает следующими преимуществами:

обеспечивает более высокую стойкость режущего инструмента (в 1,5...2 раза); изотропностью свойств и повышенной конструктивной прочностью; более высоким уровнем технологических свойств (повышенной технологической пластичностью, незначительной склонностью к росту зерна и деформации при закалке, хорошей шлифуемостью, пониженной склонностью к скалыванию и микровыкрашиванию режущей кромки инструмента).

Порошковая металлургия быстрорежущей стали в нашей стране развивается по двум основным направлениям:

производство безвольфрамовых молибденовых сталей М6Ф1-МП, М6Ф1К8-МП, М6ФЗ-МП, М6Ф2-МП или маловольфрамовых сталей типа 10Р2М9Ф2-МП, 11Р2М9К8-МП и др.;

производство высоколегированных вольфрамомолибденовых сталей Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП, Р6М5ФЗК8-МП, 10Р6М5-МП, Р12МЗФ2К8-МП, в том числе и так называемых сверхбыстрорежущих сталей типа Р8М6Ф8К7-МП и др.

Развитие производства по второму направлению требует большего расхода вольфрама, и других легирующих элементов, но зато при этом увеличивается количество карбидной фазы стали, возрастают вторичная твердость (до НЕД, 70), красностойкость и износостойкость (в 1,5...3 раза) режущего инструмента. Экономия легирующих элементов в этом случае достигается при механической обработке металлов за счет повышения стойкости инструмента .

Рассмотрим несколько подробнее технологию получения порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5-МП. Она включает в себя следующие основные операции: выплавку, получение порошка посредством распыления жидкого металла азотом, горячую экструзию порошка в капсулах и последующую термическую обработку заготовок (отжиг) с целью снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости ее резанием (рис. 3). Выплавка производится в открытой индукционной печи под слоем шлака. Расход азота при распылении 1 кг жидкого металла составляет 0,6...1,0 м, а скорость охлаждения стали при распылении – 10...105°С/с. Размер гранул порошка после распыления изменяется от 40 до 630 мкм, основу же его составляет, фракция с размером гранул от 60 до 315 мкм. Гистограмма частот распределения размеров гранул порошка стали 10Р6М5 МП представлена на рис. 4. Для получения компактного металла капсулы с порошком подвергаются горячей, экструзии при температуре 1100...1140 °С со степенью их деформации 88% на прессе с усилием 63 МН. Время нагрева капсул с порошком до температуры экструзии составляет 15 ч, время выдержки - 8 ч.

Рис. 3

Рис. 4 Гистограмма частот распределения Н размеров гранул порошка µ стали 10Р6М5-МП после распыления

В качестве смазывающего материала при экструзии используется стекло №185 фракции 0,1 мм. Горячая экструзия - один из перспективных и высокопроизводительных методов получения компактного материала из порошка, в котором совмещаются операции спекания, уплотнения и деформации. Плотность заготовок, полученных из порошка стали 10Р6М5-МП, определяемая на автопикнометре 1320 фирмы «Культроникс» (Франция), близка к теоретической и составляет (7,992...8,034) 40 кг/м. Плотность заготовок из стали Р6М5 составляет (8,031...8,045) 40 кг/м. Для снятия внутренних напряжений после экструзии и подготовки структуры стали 10Р6М5-МП к последующим механической и термической обработкам ее подвергают отжигу (нагрев до 860 °С, выдержка 2 ч, охлаждение с печью до 760 °С, выдержка 6 ч и дальнейшее охлаждение с печью).

В настоящее время разработана порошковая безвольфрамовая быстрорежущая сталь Р0М2ФЗ-МП, получаемая из распыленного азотом порошка. Компактные заготовки из нее изготавливают методом горячего газостатического прессования или методом горячей экструзии. По сравнению со сталью Р6М5 сталь Р0М2ФЗ-МП имеет более высокие технологические свойства: горячую пластичность и шлифуемость, при практически таких же режущей способности и теплостойкости. Данная сталь предназначена для изготовления различных видов режущего инструмента нормальной производительности. Ее применение вместо стандартной быстрорежущей стали Р6М5 позволяет сэкономить до 60 кг вольфрама и 20...30 кг молибдена с каждой тонны стали.

Широко развивается порошковая металлургия быстрорежущих сталей за рубежом. Японской фирмой «Дайдо токусюко» производятся порошковые быстрорежущие стали серии DEX:

DEX20 (1,3С - 4,0Сг - 5,0Мо - 6,5W - 3V); DEX40 (1,3С - 4,0Сг - 5,0Мо 6,5W - 3V - 8,0Со); DEX60 (1,7С - 4,0Сг - 2,0Мо - 15,0W - 5,0V - 8,0Со); DEX80 (2,1С - 4,0Сг - 6,0Мо - 14,0W - 5,5V - 12,0Со).

Стали DEX20 и DEX40, используемые для изготовления матриц, пуансонов, зачистных и вырубных штампов, имеют высокий предел прочности при изгибе и твердость HRC3 60...68.

Стали DEX60 и DEX80 имеют твердость, близкую, к твердости твердых сплавов (до НВСЭ 71), чего невозможно достичь при изготовлении инструментальных сталей традиционным способом. Используются они для изготовления быстрорежущего инструмента.

Фирмами «Asea» и «Stora Kopparberg» Швеция) производятся порошковые быстрорежущие стали типа ASP, например:

ASP30 (1,27С - 4,2Сг - 5,0Мо - 6,4W - 3,1V - 8,5Со);

ASP60 (2,3С - 4,0Сг - 7,0Мо - 6,5W - 6,5V - 10,5Со).

Эти стали применяются для изготовления многолезвийного и деформирующего инструмента, в котором красностойкость является определяющим свойством.

Интенсивно развивается производство порошковых быстрорежущих сталей и в США, Великобритании, ЮАР, Индии, Египте.

Получение заготовок из порошковых быстрорежущих сталей позволяет поднять коэффициент использования металла за счет полной или частичной ликвидации механической обработки, внедрения автоматизированных процессов прессования и спекания и увеличения срока службы изготовленного инструмента за счет получения более дисперсной и однородной гетерофазной структуры стали и снижения балла ее карбидной неоднородности.

Технология получения и применение порошковой проволоки для производства качественных сталей

Среди металлоизделий промышленного назначения порошковая проволока (ПП) занимает особое место как по высоким темпам роста объёмов производства, так и по используемым сырьевым материалам и оборудованию.

В Западной Европе и Японии технология обработки жидкой стали так называемой порошковой проволокой появилась в 1980-81 гг. В нашей стране начало работ по производству отечественной ПП для внепечной обработки черных сплавов можно отнести к 1988 г., когда было принято соответствующее решение в Минчермет СССР. В 1989 г. ЦНИИчермет и МГТУ им. Баумана разработали первый опытный комплекс оборудования для производства металлургической ПП. В 1990 г. НПО "Тулачермет" совместно с ПО "Тульский патронный завод" начали работы по созданию первых образцов отечественных трайбаппаратов и оборудования изготовления ПП. В 1990-91 гг. начались работы в этом направлении и на Чепецком механическом заводе в г. Глазове.

В 2004 года Научно-производственным предприятием «Вулкан-ТМ» (г. Тула) начато производство линий по производству порошковой проволоки и трайб-аппаратов. В настоящее время НПП «Вулкан-ТМ» осуществляет комплектую поставку линий производства порошковой проволоки и трайбаппаратов в составе технологического комплекса внепечной обработки и разливки стали и сплавов (Приложение). Выпускаемое оборудование не уступает по качеству импортным аналогам и имеет существенные преимущества.

Конструктивно порошковая проволока (англ. - "cored wire" - "проволока с сердечником") состоит из протяжённой металлической оболочки, заполненной порошкообразным реагентом.

Подачу проволоки в ковш осуществляют с помощью специальной машины трайб-аппарата (англ. "cored wire injector"), позволяющей регулировать в широких пределах скорость и количество вводимых материалов в зависимости от массы металла и глубины ковша. В ковше оболочка проволоки расплавляется и подаваемое вещество попадает непосредственно в жидкий металл.

Способ внепечной обработки стали посредством порошковых реагентов в металлической оболочке протяжённой длины имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как:

небольшие капитальные вложения и производственные затраты, простота и надежность конструкций машин, совместимость с существующими в металлургических цехах технологическими процессами;

высокое и стабильное усвоение вводимых добавок, небольшой расход материалов и точное регулирование заданного химического состава готового металла;

отсутствие контакта и взаимодействия вводимых добавок с кислородом и влагой воздуха и со шлаком;

небольшая продолжительность операции, отсутствие чрезмерного барботажа, охлаждения и захвата газов металлом;

минимальные трудозатраты обслуживающей рабочей бригады, соблюдение жестких требований техники безопасности и промышленной санитарии, взрывобезопасность, отсутствие пылеи газовыделений, простота управления, механизация и автоматизация технологической операции;

удобство транспортировки и хранения ПП, простота подготовки к вводу в металл присаживаемых материалов;

возможность использования, в том числе, с предварительным хранением и транспортировкой гидрофильных, легковоспламеняющихся и ядовитых реагентов;

повышение производительности плавильных агрегатов, упрощение и сокращение последующего технологического процесса производства деформированных и литых заготовок;

повышение и стабилизация на высоком уровне качественных характеристик, состава и свойств металла, сокращение брака, достижение определенного экономического эффекта.

Порошковыми проволоками доводятся до требуемого химсостава такие марки сталей, как: Ст3, 10, 20, 40, 45, 30Х, 35Х, 40Х, 45Г, 48А, Р6М5, 09Г2С, 09Г2Д, 09Г2ФВ, 15ХГМНТ, 16Д, 17Г2АФ, 17Г1С, 18Г, 18ХГТ, 20ЮЧ, 22ГЮ,

23Х2Г2Т, К-74, а также Grade45, Grade50, Grade55 (по стандарту США АСТМ А 607-92а) и др.

Кроме внепечной обработки металлов и сплавов, порошковая проволока малых диаметров получила распространение в сварочном производстве начиная с 50-х гг. XX в.

Конструкции и технологии изготовления порошковой проволоки

Конструкции

Порошковая проволока это порошковый реагент в металлической оболочке протяжённой длины.

ПП состоит, как правило, их двух основных частей: порошкового наполнителя (сердечника) и тонкостенной металлической оболочки.

В качестве сердечника ПП используют разнообразные сыпучие материалы, применяемые в металлургическом и сварочном производстве, к которым предъявляется единственное требование с точки зрения технологии производства способность к помолу до фракции не более 3÷4 мм.

В настоящее время имеются сведения о промышленном использовании в металлургии примерно девятнадцати химических элементов в виде порошковых проволок, при этом различают около сорока вариантов наполнителей.

Металлическая оболочка выполняет несколько важных функций: защищает порошкообразные реагенты от воздействия атмосферы и влаги во время хранения и транспортировки; предохраняет от окисления при прохождении через слои шлака на поверхности металла; обеспечивает соответствующую жесткость проволоки, необходимую для пробивания шлакового слоя; задерживает непосредственный контакт реагентов с жидкой сталью, что позволяет путем изменения скорости введения проволоки и толщины оболочки, регулировать глубину погружения присаживаемых добавок.

В качестве металлической оболочки используют стальную холоднокатаную ленту из сталей марок 08кп, 08пс, 08Ю по ГОСТ 503. Толщина ленты в металлургической ПП 0,3÷0,5 мм, в сварочной ПП 0,15÷1,5 мм.

На сегодняшний день разработано множество конструкций металлургической ПП. Рассмотрим некоторые из них (см. рис. 5).

На рис. 5а изображена "классическая" конструкция ПП с фальцевым замковым (ФЗ) соединением краёв оболочки 2. Данная конструкция является наиболее распространённой и простой в изготовлении, производится многими предприятиями, кроме того, она является базовой для остальных конструкций. В качестве замка применён одинарный лежачий фальц 4, утопленный во внутрь проволоки. К недостаткам данного замка следует отнести наличие только одного стопорящего порожка 5 и то, что внутренняя петля фальца 3 не полностью обжимается в процессе прокатки проволоки, так как силовое воздействие инструмента (ролика) происходит только с одной стороны замка. Данные недостатки в случае неплотного заполнения порошком 1 и малой ширины фальца приводят к раскрытию замка вследствие больших скручивающих деформаций в процессе размотки проволоки из бунта трайб-аппаратом.

Для предотвращения раскрытия фальцевого замка, его иногда делают выпуклым с двумя стопорящими порожками 5. Подобный вариант ПП изготавливается на "Чепецком механическом заводе" (рис. 5 в), а также подобная конструкция замка применена в ПП по патенту фирмы "Affival" (рис. 5и).

Рис. 5

Для повышения плотности укладки порошкового наполнителя на металлической оболочке проволоки иногда делают продольное углубление-гофр 6 так называемый уплотняющий "зиг" (рис. 5б). Зиг прокатывается после того, как будет закрыт замок на оболочке, но перед калибровкой проволоки; металл зига внедряется в порошковый сердечник и уплотняет его. В известных конструкциях зиг может располагаться диаметрально противоположно замку, под углом 90° к нему, рядом с замком. Как правило, бывает от одного до двух зигов. Недостатками данной конструкции являются: во-первых, повышенная металлоёмкость проволоки при прочих равных условиях; во-вторых, в процессе намотки проволоки на катушку и при размотке из бунта происходит раскрытие зига и, тем самым, ослабляется замок, что может привести к высыпанию наполнителя из проволоки.

Украинская фирма "КОИН" совместно с "ИЭС им. Патона" разработала конструкцию ПП, в которой происходит образование дополнительного гофра 7, прилегающего к замку по всей его длине и придающего проволоке дополнительную жёсткость (рис. 5 г). По мнению авторов, это препятствует раскрытию замка и просыпанию порошка во время размотки ПП из бунтов. Данная схема является одной из самых надёжных.

Следующую конструкцию ПП (рис. 5д) отличает стоячий фальц 4, утопленный по радиусу внутрь трубчатой оболочки, и сомкнутые гофры 7, зажимающие его между собой, образующие таким образом замкнутое соединение в виде усиленного ребра. Ребро увеличивает продольную жёсткость готовой ПП, повышая тем самым проникающую способность профиля при введении в жидкий металл. Данная конструкция позволяет изготавливать несколько смежных размеров проволоки из ленты одной ширины путём регулирования величины утапливания стоячего фальца внутрь трубчатой оболочки. На взгляд авторов, утопленное внутрь трубчатой оболочки замковое соединение и отсутствие открытого продольного гофра на готовой ПП стабилизирует подачу проволоки трайб-аппаратом в ковш. Данной конструкции присущ тот недостаток, что невозможно плотно обжать утопленный внутрь замок, а, значит, он будет ненадёжным и может произойти его раскрытие.

Другую конструкцию ПП (рис. 5e) отличает то, что трубчатая оболочка формируется с перекрытием продольных кромок оболочки внахлёст, при формировании дополнительного внутреннего гофра 7 внешнюю часть оболочки в зоне нахлёста прижимают к стороне гофра и подвергают заготовку обработке до смыкания сторон дополнительного гофра и зажатия между ними участка оболочки с зоной нахлёста. При этом образуется замковое соединение в виде стоячего фальца 4, утопленного внутрь оболочки. По мнению авторов, данная ПП, благодаря большой жёсткости, обладает повышенной проникающей способностью при введении её в жидкий металл и лучше противостоит скручивающим деформациям, возникающим при статической размотке проволоки трайб-аппаратом. Этой конструкции ПП присущ тот же самый недостаток, а именно то, что невозможно плотно обжать утопленный внутрь замок, следовательно, он будет ненадёжным и может произойти его раскрытие.

На рис. 5 ж показано сечение ПП, очень похожей на предыдущий вариант. В данной конструкции заполненную порошком оболочку обжимают до соединения кромок внахлёст, а внутренний гофр формируется в месте соединения кромок путём обжатия оболочки до соприкосновения боковых стенок полученного гофра. В этом состоит сходство с ранее рассмотренной ПП. Отличие заключается в том, что воздействие ролика, формирующего гофр, осуществляется примерно посередине зоны нахлёста боковых кромок, в то время, как по предыдущему варианту ролик воздействует на зону нахлёста по краю наружной кромки. Авторы этой ПП имели целью решить задачу получения качественного замкового соединения и исключения при этом самостоятельной операции по уплотнению порошкового наполнителя, так как она совмещается с операцией формирования замкового соединения. Данной ПП присущи все ранее рассмотренные недостатки.

Голландская фирма "Hoogovens groep" предложила оригинальную конструкцию порошкового наполнителя в металлической оболочке протяжённой длины, которую отличает нижеследующее (рис. 5 з): края заполненного порошком металлического желоба соединяются внахлёст и полученная трубчатая конструкция подвергается дальнейшей прокатке, в результате которой образуется спиралевидная оболочка, содержащая как минимум два слоя. Далее заготовка пропускается через индуктор, в котором нагревается до 650÷750 °С, после чего подаётся в редуцирующие ролики (расположенные под углом 120° друг к другу), в которых происходит волочение проволоки и одновременное сваривание слоев спиралевидной металлической оболочки между собой. Таким образом, образуется герметичная оболочка, предохраняющая порошковый наполнитель от воздействия внешних факторов. По заявлению авторов, полученная продукция может быть использована как металлургическая ПП, а также как заготовка для производства сварочной ПП.

Фирма "Affival" (бывшая "Vallourec Solesmes") разработала двухслойную ПП (см. рис. 5 и). Её отличает то, что внутри металлической оболочки коаксиально располагаются по крайней мере два различных порошковых сердечника. При этом внутренний сердечник отделён от внешнего промежуточной металлической оболочкой, сделанной из того же или другого металла, что и внешняя оболочка. Применение двухслойной ПП позволяет заменить ввод в расплав двух обычных ПП с разными наполнителями.

Первоначально проволока "Affival" была разработана с прямоугольным сечением, в ней фальцевый замок с двумя стопорящими порожками смещён от центра широкой грани к одному из рёбер. Прямоугольная форма сечения ПП предназначена прежде всего для повышения коэффициента заполнения оболочки наполнителем, а также способствует увеличению плотности укладки проволоки при её намотке на катушку. Однако такую проволоку можно применять только в режиме динамической размотки трайб-аппаратом (т.е. размотка с вращающейся катушки), так как в случае стационарной размотки (из неподвижного бунта) происходят значительные крутильные деформации, ведущие к раскрытию металлической оболочки.

Конструкции сварочной ПП весьма разнообразны; наиболее часто встречающиеся из них показаны на рис. 6 . Наибольшее распространение получила трубчатая ПП (рис. 6 а), составляющая 70÷80% от общего выпускаемого объёма. Сложные конструкции ПП (рис. 6 г – 6 м) разработаны для более равномерного плавления проволоки по её сечению (оболочки и наполнителя) и улучшения расплавленного металла при сварке. В них металлическая лента (а также дополнительно введённая сплошная проволока) равномерно распределена по сечению ПП, тем самым увеличена доля присадочного металла внутри сечения, что приближает строение ПП к строению электрода, у которого покрытие расположено вокруг стержня.

Рис. 6. а - трубчатая; б - трубчатая с перекрытием; в - трубчатая бесшовная; г - с одной загнутой кромкой; д - с двумя загнутыми кромками; е усложнённая; ж -двухслойная; з - комбинированная с металлическим сердечником; и - четырёхзагибная; к - сложнозагибная; л - сложнозагибная; м комбинированная с тремя металлическими проволоками внутри

Применение трубчатой ПП с перекрытием и бесшовной (рис. 6 б и 6в) исключает высыпание порошкового наполнителя через продольный шов, а бесшовная ПП к тому же позволяет выполнять подводную сварку и применять при её изготовлении омеднение поверхности.

Двухслойная ПП (рис. 6 ж), выполненная с перекрытием, имеет наружный слой порошка из шлакообразующих компонентов, а внутренний из легирующих элементов и железного порошка. Это обеспечивает высокие сварочно-технологические свойства проволоки, надёжную защиту зоны дуги и расплавленного металла от воздействия атмосферного воздуха и даёт возможность получать металл сварного шва высокого качества, сохраняющий пластичность при отрицательных температурах.

Сварочная ПП рассмотренных конструкций изготавливается с конечной операцией волочения.

Технологии изготовления

В настоящее время в промышленном производстве применяется множество вариантов технологических процессов изготовления ПП, осуществляемых на комплексах ОПП (рис. 7). Техпроцессы различаются в основном числом переходов и способом формообразования металлической оболочки . Рассмотрим один из них на примере "классической" ПП.

Рис. 7. : 1 установка размотки штрипсов; 2 установка резки и сварки штрипсов; 3 -узел загрузки наполнителя; 4 прокатно-формовочный агрегат; 5 -укладчик витков проволоки; 6-установка намотки проволоки

Формообразование ПП происходит за несколько технологических переходов (рис. 8). В начале (а) из исходной плоской ленты (штрипса) формируется V-образный жёлоб с наклонёнными под углом 45° боковыми стенками, при этом одновременно образуются элементы (полочки) фальцевого замка (б). Далее из V-образного жёлоба профилируется U-образный жёлоб с вертикальными стенками (в). Эти два перехода осуществляются в блоке предварительной формовки, формообразующим инструментом являются прокатные ролики (валки).

На следующем этапе (г) в U-образный жёлоб засыпается порошковый наполнитель. Засыпка порошка осуществляется в узле загрузки. Инструментом является рабочий орган механизма загрузки (питателя), а также другие элементы, осуществляющие вспомогательные действия (отсечка уровня порошка, разравнивание и уплотнение наполнителя, протирание полочек замка от пыли и т.п.).

Рис. 8.

Заполненный порошком U-образный жёлоб поступает в блок окончательной формовки, в котором выполняются следующие технологические переходы: сближение краёв U-образного жёлоба (д); сближение (выпрямление) полочек ФЗ (е); предварительная завалка полочки ФЗ (ж); окончательная завалка полочки ФЗ (з); боковое обжатие вертикального фальца (и); предварительная завалка фальца (к); окончательная завалка фальца (л); калибровка проволоки (м). Инструментом, осуществляющим эти действия, как правило, являются прокатные ролики (валки) либо неподвижные матрицы-проводки.

На завершающей стадии формообразования ПП происходит многопроходная калибровка проволоки (н-п), за счёт которой достигается: уплотнение порошкового сердечника, плотное обжатие ФЗ, а также придание правильной (требуемой) геометрической формы поперечного сечения ПП и регламентируемых размеров. Калибровка проволоки происходит в тянуще-калибрующем устройстве, которое представляет собой совокупность прокатных клетей либо волочильных барабанов. Формообразующим инструментом служат прокатные ролики (валки) либо матрицы-волоки.

Далее проволока проходит через счётно-контрольное устройство, регистрирующее метраж изготовленной ПП. Затем ПП наматывается на катушку, при этом витки проволоки раскладываются с равномерным шагом посредством укладчика.

Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров.
Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются

· возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;

· значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);

· возможность получения материалов максимальной чистоты;

· простота технологии порошковой металлургии.

Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

Пористые порошковые материалы.

Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом.
Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне.
Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа.
При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников – 0,04…0,06.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %).

Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений боридов, карбидов и др., содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора.
Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500 o С.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы:
спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом.
Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия.
Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.

Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200 o С, а материал в объеме – до 500…600 o С.
Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа.
Коэффициент трения при работе в масле – 0,08…0,15, при сухом трении – до 0,7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:
а) основа – медь и ее сплавы – для рабочих температур 500…600 o С, железо, никель и сплавы на их основе – для работы при сухом трении и температурах 1000…1200 o С;
б) твердые смазки – предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;
в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

Примерный состав сплава: медь – 60…70 %, олово – 7 %, свинец – 5 %, цинк – 5…10%, железо – 5…10 %, кремнезем или карбид кремния – 2…3 %, графит – 1…2 %.

Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.).

Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.
Они могут работать при температурах от –273 o С до 900 o С, быть коррозионностойкими и жаропрочными - можно очищать горячие газы.
Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.

Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов:
бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др.
Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений.
Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.

Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит.
Размеры колеблются от дисков диаметром 1,5 мм до плит размерами 450 х 1000 мм.
Наиболее эффективно применение фильтров из нескольких слоев с различной пористостью и диаметром пор.

Производство изделий, которое осуществляет порошковая металлургия, возможно только на специализированном оборудовании. Их номенклатуру можно разделить на продукцию конструкционного, антифрикционного и специального назначения. Последняя производится из материалов, обладающих особыми свойствами. Изделия спецназначения невозможно изготовить альтернативными способами.

Порошковая металлургия предполагает производство изделий из металлических порошков. Такие детали удивительно точны и не требуют обработки в дальнейшем.

Вместе с тем сама технология производства не относится к сложным. В ее основе лежит старинный способ изготовления керамики, разница состоит лишь в используемом сырье. Благодаря тому, что данный способ является экономичным и простым, он быстро встал на одну ступень по конкуренции с ковкой, литьем, штампованием и другими методами изготовления металлических деталей.

Наряду с тем, что производство постоянно совершенствуется и развивается, осваиваются новые технологии и материалы, растет и ассортимент выпускаемой продукции, к которым относятся и изделия порошковой металлургии.

Если завод принимает заказ на изготовление новой детали, то он должен разработать чертеж будущего изделия на основе чертежей заказчика, чертеж оснастки и пресс-инструмента, сопутствующую документацию. В случае необходимости этот же завод выполняет исследовательские и экспериментальные функции, которые обеспечивают первичное освоение и испытание нового продукта. Также изготавливается дополнительная оснастка и пресс-инструмент.

Процесс изготовления деталей

Порошки бывают разными. Стоит отметить, что такая разновидность, как порошковая сталь, не является самой твердой. Определенные свойства придаются порошкам в зависимости от дальнейшего их использования. Сам процесс происходит в специальном аппарате или в которой кусочки металла, стружка, обрезки дробятся, а создаваемые воздушные потоки заставляют эти кусочки перетираться. Металлы, которые относятся к легкоплавким, разбрызгиваются в жидком виде, что осуществляется посредством который направляет брызги металла на двигающийся по кругу диск. Застывшие металлические капельки разбиваются на еще более мелкие частички. В итоге получаются порошки в электролизной ванне или при помощи химических реакций.

Затем порошок засыпается в пресс-форму из стали, а на него воздействуют большим давлением. Его частички соединяются между собой, и получается готовая деталь. Далее осуществляется спекание. В печах с высокой температурой нагреваются полученные элементы. Частицы как бы сливаются, и образуется достаточно плотная и однородная масса. Итак, изделие считается полностью готовым. Иногда два процесса соединяются вместе, это значительно экономит время. В этом случае порошок нагревается до нужной температуры током и прессуется в соответствующую форму.

Сфера применения изделий

Порошковая металлургия предоставляет широкие возможности для производства деталей для различных марок автомобилей. Данным методом изготавливаются:

• детали трансмиссии и рулевого управления;
• составляющие запорной фурнитуры;
• золотники, роторы, корпусы насосов;
• роторы для электродвигателей;
• втулки, вкладыши, подшипники;
• звездочки, шестерни, фланцы и многое другое.

Кроме этого, твердость порошковых деталей позволяет изготавливать из них режущие инструменты, жаростойкость позволяет использовать их в тормозной системе самолетов, сельскохозяйственной техники и автомобилей. Для того чтобы получить детали, отвечающие различным характеристикам, достаточно смешать порошки нескольких металлов. Такие детали используются в газовых турбинах,

Порошковая металлургия позволяет производить такие соединения металлов, которые невозможно получить, используя плавильные печи. Ее развитие обусловлено тем, что некоторые металлы невозможно обрабатывать стандартными способами. В настоящее время металлические порошки смешиваются даже с аналогами из пластмассы, стекла и минералов. Данный метод позволяет получать еще более разносторонние по своим свойствам изделия.

Порошковая металлургия

Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов 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, а в ряде случаев существенно повысить экономические показатели производства. При этом способе в большинстве случаев коэффициент использования материала составляет около 100%.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготавливают изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин, конструкционные и фрикционные детали, инструментальные материалы, электротехнические детали для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Основные преимущества использования порошковой металлургии:

• – снижает затраты на дальнейшую механическую обработку, которая может быть исключена или существенно уменьшена, получает готовое изделие точное по форме и размерам, обеспечивает высокое качество поверхности изделия;
• – использует энерго- и ресурсосберегающие технологии, уменьшает количество операций в технологической цепи изготовления продукта, использует более чем 97% стартового сырья, реализует многие последующие сборочные этапы еще на стадии спекания;
• – позволяет получать изделия с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и не металлические компоненты: изделия различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью, подшипники скольжения с эффектом самосмазывания;
• – получает более высокие экономические, технические и эксплуатационные характеристики изделий по сравнению с традиционными технологиями;
• – упрощает зачастую изготовление изделий сложной формы;
• – обеспечивает прецизионное производство, соответствие размеров в серии изделий.

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 нашей эры), знаменитый памятник из железа в Дели относится к 300 году нашей эры. До 19 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. С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения 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 технологию прессования и спекания платинового порошка. металлургия порошковый изготовление

После первых работ П.Г.Соболевского по разработке процесса изготовления монет из порошка платины, выполненных в России в 1826 - 1827 гг. стало развиваться новое направление в науке - порошковая металлургия. В 1924 г. Т.М.Алексеенко-Сербиным была организована первая лаборатория тугоплавких металлов на Московском электроламповом заводе, а затем создана мощная сеть научных учреждений. После организации Г.А.Меерсоном в 1923 г. на Московском кабельном заводе производства порошка вольфрама и получения в 1932 г. на Ленинградском механическом заводе первых промышленных партий порошка электролитического железа, работы ученых привели к созданию ряда оригинальных процессов изготовления металлических порошков.

Процесс получения железного порошка комбинированным восстановлением окалины газом и сажей в 1948 - 1958 гг. был положен в основу строительства Броварского завода порошковой металлургии (Украина). В 1953 - 1957 гг. организовано производство порошков сложнолегированных сталей и сплавов методом металлотермического восстановления. Разработан метод получения легированных порошков железа диффузионным насыщением. Получены порошки карбонильным методом, механическим измельчением, исследуются процессы получения порошков восстановлением окислов, электролизом водных растворов и расплавленных сред. Внедрены методы получения металлических порошков распылением расплавов.

В настоящее время изготавливаются в промышленном масштабе порошки таких металлов, как железо и его сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и другие. Существенные успехи достигнуты в разработке теоретических основ и технологии процессов прессования и формования изделий из порошков.

Первыми видами изделий из порошков, производство которых было организовано в 1918 г., были медно-графитовые щетки. В дальнейшем создано большое количество электроконтактных материалов на основе серебра с добавками никеля, окиси кадмия, графита; на основе вольфрама с пропиткой медью и ряд других.

В 60-х годах широко развились работы по созданию спеченных конструкционных материалов на железной основе, с пропиткой прессовок медью и ее сплавами, с введением в состав материала углерода в виде графита или порошка белого чугуна, с заполнением пор материала стеклом, что дало повышение прочности до 75 - 80 кг/мм 2 . Применение легированных порошков в сочетании с горячей штамповкой или высокоскоростным холодным прессованием с последующим спеканием позволило получить материалы с прочностью выше 200 кг/мм 2 .

Типовая технология производства заготовки изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции:

• – получение порошка исходного материала;
• – формование заготовок;
• – спекание;
• – окончательная обработка.

Каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия. В настоящее время используют большое количество методов производства металлических порошков, что позволяет варьировать их свойства, определяет качество и экономические показатели.

Условно различают два способа изготовления металлических порошков:

• 1. физико-механический;
• 2. химико-металлургический.

При физико-механическом способе изготовления порошков превращение исходного материала в порошок происходит путем механического измельчения в твердом или жидком состоянии без изменения химического состава исходного материала. К физико-механическим способам относят дробление и размол, распыление, грануляцию и обработку резанием измельчаемого материала.

При химико-металлургическом способе изменяется химический состав или агрегатное состояние исходного материала. Основными методами при химико-металлургическом производстве порошков являются: восстановление окислов, электролиз металлов, термическая диссоциация карбонильных соединений.

Измельчение твердых материалов - уменьшение начальных размеров частиц путем разрушения их под действием внешних усилий. Различают измельчение дроблением, размолом или истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение хрупких металлов и их сплавов таких, как кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием. Размол вязких пластичных металлов (медь, алюминий и др.) затруднен. В случае таких металлов наиболее целесообразно использование в качестве сырья отходов образующихся при обработке металлов (стружка, обрезка и др.).

Для грубого размельчения используют щековые, валковые и конусные дробилки и бегуны; при этом получают частицы размером 1-10 мм, которые являются исходным материалом для тонкого измельчения, обеспечивающего производство требуемых металлических порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения может быть и стружка. Окончательный размол полученного материала проводится в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов с температурой плавления до 1600°С: алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и других металлов и сплавов. Сущность измельчения расплава состоит в дроблении струи расплава либо высокоэнергонасыщенным газом или жидкостью, либо механическим распылением, либо сливанием струи расплава в жидкую среду (например, воду).

Для распыления металл плавят в электропечах. В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка распыление осуществляют воздухом, азотом, аргоном, гелием, а для защиты от окисления - инертным газом. Распыление воздухом - самый экономичный способ изготовления порошков. Основные параметры процесса распыления: давление и температура газового потока, температура расплава. Охлаждающей средой для распыленной струи может быть вода, газ, органическая жидкость.

Химико-металлургический метод - восстановление металлов из окислов и солей. Простейшая реакция восстановления может быть представлена так:

МеА+Х=Ме+ХА±Q;

где Ме - любой металл, А - неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток и др.) восстанавливаемого химического соединения металла, Х - восстановитель, Q - тепловой эффект реакции.

В качестве восстановителей используют водород, окись углерода, кокс, древесный уголь, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ, эндотермический и природные газы, металлы (кальций, магний, алюминий, натрий, кадмий и др.). Прочность химической связи соединения МеА и образующегося соединения восстановителя ХА позволяет оценить возможность протекания реакции восстановления. Количественной мерой («мерой химического сродства») является величина свободной энергии, высвобождающейся при образовании соответствующего химического соединения. Чем больше выделяется энергии, тем прочнее химическое соединение. В реакции восстановления всегда должна выделяться тепловая энергия.

Железные порошки получают восстановлением окисленной руды или прокатной окалины. Железо в указанных материалах находится в виде окислов: Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO. Медные, никелевые и кобальтовые порошки легко получают восстановлением окислов этих металлов, так как они обладают низким сродством к кислороду. Сырьем для производства порошков этих металлов служат либо окись меди Cu 2 O, CuO, закись никеля NiO, окись-закись кобальта Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , либо окалина от проката проволоки, листов. Восстановление проводят в муфельных или в трубчатых печах водородом, аммиаком или конвертированным природным газом. Температура восстановления сравнительно низка: меди - 400...500°С, никеля - 700...750°С, кобальта - 520…570°С. Длительность процесса восстановления 1...3 ч при толщине слоя окисла 20…25 мм. После восстановления получают губку, которая легко растирается в порошок. Порошок вольфрама получают из вольфрамового ангидрида, являющегося продуктом разложения вольфрамовой кислоты Н 2 WO 4 (прокаливание при 700...800°С). Восстановление проводят либо водородом при температуре 850…900°С, либо углеродом при температуре 1350…1550°С в электропечах. Этим методом (восстановления) получают порошки молибдена титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и сплавов.

Способ электролиза наиболее экономичен при производстве химически чистых порошков меди. Физическая сущность электролиза состоит в том, что при прохождении электрического тока водный раствор или расплав соли металла, выполняя роль электролита, разлагается, металл осаждается на катоде, где его ионы разряжаются. Сам процесс электрохимического превращения происходит на границе электрод (анод или катод) - раствор. Источником ионов выделяемого металла служат, как правило, анод, состоящий из этого металла, и электролит, содержащий его растворимое соединение. Такие металлы как никель, кобальт, цинк выделяются из любых растворимых в виде однородных плотных зернистых осадков. Серебро и кадмий осаждаются из простых растворов в форме разветвленных кристаллитов, а из растворов цианистых солей - в виде плотных осадков. Размеры частиц осаждаемого порошка зависят от плотности тока, наличия коллоидов и поверхностно активных веществ. Очень большое влияние на характер осадков оказывает чистота электролита, материал электрода и характер его обработки.

Карбонилы - это соединения металлов с окисью углерода Me(CO)C, обладающие невысокой температурой образования и разложения. Процесс получения порошков в карбонильном процессе состоит из двух главных этапов:

– получение карбонила из исходного соединения

MeаXb+cCO=bX+Mea(CO)c,

– образование металлического порошка

Меа(СО)с= аМе+сСО.

Основным требованием к таким соединениям является их легколетучесть и небольшие температуры образования и термического разложения (кипения или возгонки). На первой операции - синтеза карбонила - отделение карбонила от ненужного вещества Х достигается благодаря летучести карбонила. На втором этапе происходит диссоциация (разложение) карбонила путем его нагрева. При этом возникающий газ СО может быть использован для образования новых порций карбонилов. Для синтеза карбонилов используют металлсодержащее сырье: стружку, обрезки, металлическую губку и т.п. Карбонильные порошки содержат примеси углерода, азота, кислорода (1...3%). Очистку порошка производят путем нагрева в сухом водороде или в вакууме до температуры 400...600°С. Этим методом получают порошки железа, никеля, кобальта, хрома, молибдена, вольфрама.

Металлические порошки характеризуются химическими, физическими и технологическими свойствами. Химические свойства металлического порошка зависят от химического состава, который зависит от метода получения порошка и химического состава исходных материалов. Содержание основного металла в порошках составляет 98...99%. Допустимое количестве примесей в порошке определяется допустимым их количеством в готовой продукции. Исключение сделано для окислов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других, которые при нагреве в присутствии восстановления легко образуют активные атомы металла, улучшающие спекаемость порошков. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислород, водород, азот и др.), как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке. Газовые пленки на поверхности частиц порошка образуются самопроизвольно из-за ненасыщенности силовых полей в поверхностных слоях. С уменьшением частиц порошка увеличивается адсорбция газов этими частицами.

При восстановлении химических соединений часть газов - восстановителей и газообразных продуктов реакции не успевает выйти наружу и находится либо в растворенном состоянии, либо в виде пузырей. Электролитические порошки содержат водород, выделяющийся на катоде одновременно с осаждением на нем металла. В карбонильных порошках присутствуют растворенные кислород, окись и двуокись углерода, а в распыленных порошках - газы, механически захваченные внутрь частиц.

Большое количество газов увеличивает хрупкость порошков и затрудняет прессование. Интенсивное выделение газов из спрессованной заготовки при спекании может привести к растрескиванию изделий. Поэтому перед прессованием или в его процессе применяют вакуумирование порошка, обеспечивающее удаление значительного количества газов.

При работе с порошками учитывают их токсичность и пирофорность. Практически все порошки оказывают вредное воздействие на организм человека, однако и в компактном виде (в виде мелких частичек порошка) большинство металлов безвредно. Пирофорность, т.е. способность к самовозгоранию при соприкосновении с воздухом, может привести к воспламенению порошка и даже взрыву. Поэтому при работе с порошками строго соблюдают специальные меры безопасности. Физические свойства частиц характеризуют форма, размеры и гранулометрический состав, удельная поверхность, плотность и микротвердость.

В зависимости от метода изготовления порошка получают соответствующую форму частиц: сферическая - при карбонильном способе в распылении, губчатая - при восстановлении, осколочная - при измельчении в шаровых мельницах, тарельчатая - при вихревом измельчении, дендритная - при электролизе, каплевидная - при распылении. Эта форма частиц может несколько изменяться при последующей обработке порошка (размол, отжиг, грануляция). Форма частиц значительно влияет на плотность, прочность и однородность свойств прессованного изделия. Действительная плотность порошковой частицы, носящая название пикнометрической, в значительной мере зависит от наличия примесей закрытых пор, дефектов кристаллической решетки и других причин и отличается от теоретической. Наибольшее отклонение плотности порошковых частиц от теоретической плотности наблюдают у восстановленных порошков из-за наличия остаточных окислов, микропор, полостей. Микротвердость порошковой частицы характеризует ее способность к деформированию. Способность к деформированию в значительной степени зависит от содержания примесей в порошковой частице и дефектов кристаллической решетки.

Технологические свойства порошка: насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость. Насыпная плотность - это масса единицы объема порошка при свободном заполнении объема. Текучесть порошка характеризует скорость заполнения единицы объема и определяется массой порошка высыпавшегося через отверстие заданного диаметра в единицу времени. От текучести порошка зависит скорость заполнения инструмента и производительность при прессовании. Под прессуемостью порошка понимают свойство порошка приобретать при прессовании определенную плотность в зависимости от давления, а под формуемостью - свойство порошка сохранять заданную форму, полученную после уплотнения при минимальном давлении. Количественно прессуемость определяется плотностью спрессованного брикета, формуемость оценивают качественно, по внешнему виду спрессованного брикета, или количественно - величиной давления, при котором получают неосыпающийся прочный брикет.

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или вакууме) при температуре 0,4...0,6 абсолютной температуры плавления металла порошка. Наиболее часто отжигают порошки, полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

Классификация порошков - это процесс разделения порошков по величине частиц. Порошки с различной величиной частиц используют для составления смеси, содержащей требуемый процент каждого размера. Классификация частиц размером более 40 мкм производят в проволочных ситах. Если свободный просев затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифицируют на воздушных сепараторах.

В производстве для изготовления изделий используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков есть одна из важных операций и задачей ее является обеспечение однородности смеси, так как от этого зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах и смесителях. Соотношение шихты и шаров по массе 1:1. Смешивание сопровождается измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия.

При приготовлении шихты некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама, карбидов металлов) для повышения формуемости в смесь добавляют пластификаторы - вещества смачивающие поверхность частиц. Они должны удовлетворять требованиям: обладать высокой смачивающей возможностью, выгорать при нагреве без остатка, легко растворяться в органических растворителях.

Дозирование - это процесс отделения определенных объемов смеси порошка. Различают объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное дозирование используют при автоматизированном формовании изделий. Дозирование по массе наиболее точный способ, этот способ обеспечивает одинаковую плотность формования заготовок.

Для формования изделий из порошков применяют следующие способы: прессование в стальной прессформе, изостатическое прессование, прокатку порошков, мундштучное прессование, шликерное формование, динамическое прессование.

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (стальной прессформе), возникает сцепление частиц, и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и заклинивания - механического сцепления частиц. У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков малой площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется вглубь частиц.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью, прессование называют гидростатическим. Из-за практического отсутствия трения между оболочкой и порошком спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечениям, а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессформах. Недостатком является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров.

Мундштучное прессование - это формование заготовок из смеси порошка с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице. В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины. Обычно мундштучное прессование выполняют при подогреве материала изделия и в этом случае пластификатор не используют; порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400...600°C, меди - 800...900°С, никеля - 1000...1200°С, стали - 1050...1250°С. Для предупреждения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или прессование в защитных оболочках.

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой. Шликер - это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости). После удаления изделия из формы его сушат при 110...150°С в сушильных шкафах. Этим способом изготовляют трубы, сосуды и изделия данной формы.

Динамическое прессование - это процесс прессования с использованием импульсных нагрузок. Процесс имеет ряд преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Источником энергии являются: взрыв заряда взрывчатого вещества, энергия электрического разряда в жидкости, импульсное магнитное поле, сжатый газ, вибрация. В зависимости от источника энергии прессование называют взрывным, электрогидравлическим, электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным.

Спеканием называют процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления. В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков расплавляются.

При твердофазном спекании протекают следующие основные процессы: поверхностная и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через газовую среду. Все металлы имеют кристаллическое строение. С повышением температуры энергия и амплитуда колебательных движений атомов увеличивается и возможен переход атома в новое положение, где его энергия и амплитуда снова увеличиваются и возможен новый переход в другое положение. Такое перемещение атомов носит название диффузии и может совершаться как по поверхности (поверхностная диффузия), так и в объеме тела (объемная диффузия). Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии. При этом происходит изменение геометрических размеров изделия - усадка. Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема, и поэтому различают линейную и объемную усадку. Рекристаллизация при спекании приводит к росту зерен и уменьшению суммарной поверхности частиц, что энергетически выгодно. Однако рост зерен ограничен тормозящим влиянием посторонних включений на поверхностях зерен: порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную. Перенос атомов через газовую среду наблюдают при испарении вещества и конденсации его на поверхности других частиц, что происходит при определенной температуре. Перенос вещества увеличивает межчастичные связи и прочность сцепления частиц, способствует изменению формы пор, но не изменяет плотности при спекании.

При жидкофазном спекании в случае смачивания жидкой фазой твердой фазы увеличивается сцепление твердых частичек, а при плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит процесс спекания, препятствуя уплотнению. Смачивающая жидкая фаза приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы. При жидкофазном спекании можно получить практически беспористые изделия. Различают спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса спекания, и спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе.

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие: сравнительно высокая стоимость металлических порошков; необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии; трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров; сложность получения металлов и сплавов в компактном состоянии; необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоинства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие. Развитие дугового, электроннолучевого, плазменного плавления и электроимпульсного нагрева позволили получать не достижимые прежде температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве несколько снизился. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, как, например, трудность приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод распыления дает возможность с достаточной полнотой и эффективностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержащиеся в металле до расплавления. Благодаря созданию методов всестороннего обжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок крупных размеров.

В то же время ряд основных достоинств порошковой металлургии - постоянно действующий фактор, который, вероятно, сохранит свое значение и при дальнейшем развитии техники. С увеличением масштабов выпуска и совершенствованием методов изготовления порошков решатся такие проблемы порошковой металлургии как: дороговизна исходных материалов. При массовом производстве расходы, связанные с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений для каждого вида деталей сократятся до минимума. С исследованием и использованием на производстве получения чистых порошков распылением расплавленного железа решены такие проблемы как необходимость получения достаточно чистых исходных материалов.

Список использованной литературы

• 1. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. - М.: Металлургия, 1978.
• 2. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. - М.: Металлургия, 1982.
• 3. Еськов Б.Б., Лагунов Д.В., Лагунов В.С. Пористые материалы. - Воронеж, 1995.
• 4. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1985.
• 5. Раковский B.C., Саклинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1983.