Порошковая металлургия применение. Изделия порошковой металлургии. Изготовление порошковых изделий

Порошковая металлургия – область техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них (или их смесей с неметаллическими порошками) без расплавления основного компонента.

Технология порошковой металлургии включает следующие операции:

• получение исходных металлических порошков и приготовление из них шихты (смеси) с заданными химическим составом и технологическими характеристиками;
• формование порошков или их смесей в заготовки с заданными формой и размерами (главным образом прессованием);
• спекание, т. е. термическую обработку заготовок при температуре ниже точки плавления всего металла или основной его части.

После спекания изделия обычно имеют некоторую пористость (от нескольких процентов до 30-40%, а в отдельных случаях до 60%). С целью уменьшения пористости (или даже полного устранения её), повышения механических свойств и доводки до точных размеров применяется дополнительная обработка давлением (холодная или горячая) спечённых изделий; иногда применяют также дополнительную термическую, термохимическую или термомеханическую обработку.

В некоторых вариантах технологии порошковой металлургии отпадает операция формования: спекают порошки, засыпанные в соответствующие формы.

Этапы технологии порошковой металлургии

1. Получение порошков

– Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах (получение крупных (100 и более мкм) порошков неправильной формы);
– распыление жидких металлов в воздух, либо в воду: его достоинства - возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность;
– получение порошков железа, меди, вольфрама, молибдена высокотемпературным восстановлением металла (обычно из окислов) углеродом или водородом;
– электролитическое осаждение металлов;
– термическая диссоциация летучих карбонилов металлов (карбонильный метод). Преимущества- получение мелкодисперсного (0-20 мкм) порошка железа правильной формы, с определёнными радиотехническими свойствами.

2. Формование порошков

Основной метод формования металлических порошков - прессование в пресс-формах из закалённой стали под давлением 200-1000 Мн/м2 на быстроходных автоматических прессах. Прессовки имеют форму, размеры и плотность, заданные с учётом изменения этих характеристик при спекании и последующих операциях. Возрастает значение таких новых методов холодного формования, как изостатическое прессование порошков под всесторонним давлением, прокатка и МIМ-технология.

3. Спекание порошков

Спекание проводят в защитной среде (водород; атмосфера, содержащая соединения углерода; вакуум; защитные засыпки) при температуре около 70-85% от абсолютной точки плавления, а для многокомпонентных сплавов - несколько выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Защитная среда должна обеспечивать восстановление окислов, не допускать образования нежелательных загрязнений продукции, предотвращать выгорание отдельных компонентов (например, углерода в твёрдых сплавах), обеспечивать безопасность процесса спекания. Конструкция печей для спекания должна предусматривать проведение не только нагрева, но и охлаждения продукции в защитной среде. Цель спекания - получение готовых изделий с заданными плотностью, размерами и свойствами или полупродуктов с характеристиками, необходимыми для последующей обработки. Расширяется применение горячего прессования (спекания под давлением), в частности изостатического.

Преимущества порошковой металлургии

1. Возможность получения таких материалов, которые трудно или невозможно получать другими методами. К ним относятся:

– некоторые тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал);

– сплавы и композиции на основе тугоплавких соединений (твёрдые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и др.): композиции и так называемые псевдосплавы металлов, не смешивающихся в расплавленном виде, в особенности при значительной разнице в температурах плавления (например, вольфрам - медь);

– композиции из металлов и неметаллов (медь - графит, железо - пластмасса, алюминий - окись алюминия и т.д.);

– пористые материалы (для подшипников, фильтров, уплотнений, теплообменников) и др.

2. Возможность получения некоторых материалов и изделий с более высокими технико-экономическими показателями. Порошковая металлургия позволяет экономить металл и значительно снижать себестоимость продукции (например, при изготовлении деталей литьём и обработкой резанием иногда до 60-80% металла теряется в литники, идёт в стружку и т.п.).

3. При использовании чистых исходных порошков (например, карбонильный метод) можно получить спечённые материалы с меньшим содержанием примесей и с более точным соответствием заданному составу, чем у обычных литых сплавов.

4. При одинаковом составе и плотности у спечённых материалов в связи с особенностью их структуры в ряде случаев свойства выше, чем у плавленых, в частности меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), которая встречается у ряда литых металлов (например, бериллия) вследствие специфических условий затвердевания расплава. Большой недостаток некоторых литых сплавов (например, быстрорежущих сталей и некоторых жаропрочных сталей) - резкая неоднородность локального состава, вызванная ликвацией (процесса разделения первоначально однородного расплава при понижении температуры на две разные по составу несмешивающиеся жидкости) при затвердевании.

5. Размеры и форму структурных элементов спечённых материалов легче регулировать, и главное, можно получать такие типы взаимного расположения и формы зёрен, которые недостижимы для плавленого металла. Благодаря этим структурным особенностям спечённые металлы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжений, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

Недостатки порошковой металлургии

• cравнительно 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 беспористом состоянии;
• необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Недостатки порошковой металлургии и некоторые её 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, завоёвывать другие.

• получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или их сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные другие химические соединения;
• прессование из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах;
• термическая обработка или спекание спрессованных изделий, придающее им окончательные физико-механические свойства.

На практике иногда встречаются отклонения от этих типичных элементов технологии. Так, например, процессы прессования и спекания можно совмещать в одной операции или предварительно спечённый пористый брикет затем может быть пропитан расплавленным металлом. Могут быть и другие отклонения от указанной схемы, однако использование исходной порошкообразной шихты и спекание при температуре ниже точки плавления основного элемента остаются неизменными.

Изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии называются спечёнными материалами.

Впервые методы порошковой металлургии применили русские инженеры П.Г. Соболевский и В.В. Любарский, когда в 1826 г. по поручению Российского монетного двора разработали методику изготовления монет и изделий из пла-тинового порошка путём прессования и спекания. Необходимость использования для этой цели методов порошковой металлургии была обусловлена невоз-можностью достижения в то время температуры плавления платины (1769 ºС).

В связи с развитием техники получения высоких температур использование методов порошковой металлургии для изготовления изделий на некоторое время прекратилось. Однако, на рубеже двадцатого века порошковая металлургия снова стала использоваться, как способ производства из тугоплавких металлов нитей накала для электрических ламп, и удельный вес методов порошковой металлургии при изготовлении изделий постоянно возрастает.

В настоящее время трудно назвать отрасль промышленности, где бы не находили применения материалы, полученные методами порошковой метал-лургии. Например, в обрабатывающей промышленности это твердосплавные инструменты, в горнодобывающей промышленности – армирующие твердые сплавы и алмазно-металлические композиции, применяемые для оснащения бу-рового инструмента. В сварочной технике это порошки, применяемые для на-плавки, специальной резки и изготовления обмазок. В практике машиностроения метод порошковой металлургии используют для изготовления деталей машин и механизмов с высокими износостойкими, антифрикционными и фрикционными свойствами. В современной электротехнике это контактные устройства, обеспечивающие высокую электро- и теплопроводность, хорошую тугоплавкость, высокую степень электроэрозионной устойчивости и прочности в условиях ударных нагрузок.

Основными достоинствами порошковой металлургии, обусловившими её развитие, являются:

• возможность получения материалов, которые трудно или невозможно получить другими способами. Например, некоторые тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал), сплавы и композиции на основе тугоплавких соединений (твёрдые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и др.), композиции металлов, не смешивающихся в расплавленном виде, в особенности при значительной разнице в температурах плавления (вольфрам – медь), композиции из металлов и неметаллов (медь – графит, алюминий – оксид алюминия и др.), пористые материалы (подшипники, фильтры, теплообменники и др.);
• возможность получения некоторых материалов и изделий с более высо-кими технико-экономическими показателями за счет экономии металла и зна-чительного снижения себестоимости продукции. Например, при изготовлении деталей литьём и обработкой резанием до 60 – 80% металла теряется в литниках или идёт в стружку;
• возможность получить материалы с меньшим содержанием примесей и с более точным соответствием заданному составу, чем у литых сплавов, за счет использования чистых исходных порошков.

При одинаковом составе и плотности у спеченных материалов в ряде случаев свойства выше, чем у плавленых в связи с особенностью их структуры. В частности, в спечённых материалах меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), которая встречается у не-которых литых металлов вследствие специфических условий затвердевания расплава. Большим недостатком некоторых литых сплавов (быстрорежущие сплавы, некоторые жаропрочные стали) является резкая неоднородность ло-кального состава, вызванная ликвацией при затвердевании. В спеченных мате-риалах размеры и форму структурных элементов легче регулировать и можно получать типы взаимного расположения и формы зерен, которые невозможны для плавленого металла. Благодаря этим структурным особенностям спечённые ме-таллы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжений, что очень важно для материалов новой техники.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, которые препятствуют её развитию:

• сравнительно высокая стоимость металлических порошков;
• необходимость спекания в защитной атмосфере, что увеличивает стои-мость изделий;
• трудность изготовления изделий больших размеров;
• сложность получения металлов и сплавов в беспористом, компактном состоянии;
• необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Недостатки и некоторые достоинства порошковой металлургии нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы. Они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей про-мышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вы-тесняться из одних областей и перемещаться в другие. В то же время основные достоинства порошковой металлургии являются постоянно действующим фак-тором, который сохранит своё значение и при дальнейшем развитии техники.

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 как метод получения и обработки материалов отличается разнообразием технологических приемов и способов производства, что позволяет получать спеченные материалы и изделия различных составов, свойств и назначений. Выделяются две особенности при применении методов порошковой металлургии.

1. Возможность получения принципиально новых материалов и изделий из них со специфическими свойствами, которые нельзя получить при использовании других технологических процессов (детали из фрикционных и антифрикционных, пористых материалов и материалов с особыми физическими свойствами). Эффективность изготовления таких деталей, прежде всего, определяется их назначением и эксплуатационными свойствами.

2. Изготовление деталей, не обладающих специфическими свойствами, для которых метод порошковой металлургии не является монопольным. К ним относятся детали конструкционного назначения, получение которых методом порошковой металлургии оправдано лишь значительным эффектом за счет снижения расхода материала, трудоемкости, себестоимости и других технико-экономических показателей.

Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода заготовок является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуют или формуют в изделия заданных размеров и подвергают термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты.

Основные элементы технологии порошковой металлургии следующие :

Получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или их сплавы, металлоиды, соединения металлов с неметаллами и 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, обеспечивающая им окончательные физико-механические и другие свойства.

В производственной практике иногда встречаются отклонения от типового технологического процесса, например совмещение прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленным металлом, допрессовка или калибровка спеченного полуфабриката, дополнительная механическая обработка спеченных изделий и т. д.

Достоинства порошковой металлургии следующие:

Возможность изготовления деталей из тугоплавких материалов, псевдосплавов (например, медь - вольфрам, железо - графит), пористых материалов с заранее заданной пористостью (фильтры, самосмазывающиеся подшипники);

Значительная экономия материалов в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не нуждающихся (или почти не нуждающихся) в последующей механической обработке; отходы производства в этом случае не превышают 1-5 %;

Возможность получения изделий из материалов высокой чистоты, так как при изготовлении деталей методом порошковой металлургии (в отличие от литья) исключается внесение каких-либо загрязнений в перерабатываемый Материал;

Технология порошковой металлургии по своему характеру несложна и основные операции изготовления порошковых изделий не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала;

Возможность автоматизации технологических процессов, которые не связаны с разработкой сложных ориентирующих и транспортирующих устройств, бункеров и других механизмов, необходимых при изготовлении деталей из штучных заготовок.

Экономичность методов порошковой металлургии проявляется в полной мере только при больших масштабах производства. Сравнение затрат по изготовлению деталей из литых и спеченных из металлических порошков заготовок показывает, что у первых основной расход составляет заработная плата по изготовлению, у вторых - стоимость технологической оснастки и исходных материалов. В связи с этим замена стальных и чугунных деталей несложной конфигурации деталями из металлических порошков не всегда экономична.

Как показывает опыт, при числе деталей массой 30-50 г менее 10 тыс. шт. в большинстве случаев невыгодно изготовлять детали методом порошковой металлургии. Сравнительно высокая стоимость исходных порошков и пресс- форм делает порошковое производство выгодным лишь в случае, когда объем партий выпускаемых изделий определяется десятками тысяч (табл. 2.27). Однако уникальные свойства получаемых изделий часто делают целесообразным изготовление изделий из порошков и значительно меньшими партиями.

К недостаткам порошковой металлургии можно отнести ограниченность размеров и относительную простоту формы получаемых изделий, что обусловлено спецификой формования порошков. При изготовлении деталей машин методом порошковой металлургии наличие остаточной пористости в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как при изготовлении литьем или ковкой (рис. 2.44).

В табл. 2.28 представлено изменение прочностных характеристик порошковых и компактных материалов.

Экономически эффективные объемы производства деталей из материалов на основе железа методами порошковой металлургии

Несмотря на недостатки, метод порошковой металлургии в последние годы настолько широко и прочно вошел во все сферы науки и техники, что трудно перечислить все области его применения. Рассмотрим некоторые из них, охарактеризовав основные порошковые материалы и области их применения.

Типовыми деталями, изготавливаемыми из конструкционных порошковых материалов, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, храповики, гайки, фланцы, ограничители, детали мерительных инструментов и др.

Механические свойства конструкционных спеченных материалов характеризуются пределом прочности при изгибе, ударной вязкостью, относительным удлинением, твердостью. Другие физико-механические свойства этих материалов в настоящее время изучены на отдельных марках материалов и отдельных вариантах технологического процесса и являются факультативными. В табл. 2.29 приведены свойства некоторых конструкционных порошковых материалов и основные области их применения.

Коррозионная стойкость деталей, у которых пористость не превышает 6-7 %, такая же, как у компактных материалов того же химического состава. При увеличении пористости коррозионная стойкость ухудшается.

При решении вопроса о переводе деталей на изготовление методом порошковой металлургии необходимо учитывать следующие обстоятельства:

Возможные издержки при изготовлении деталей могут компенсироваться экономическим эффектом при эксплуатации за счет повышения эксплуатационных свойств изделия;

Общая характеристика и назначение конструкционных порошковых материалов

Заложенный запас прочности в деталях из литых и кованых заготовок при конструктивном выборе размеров во много раз превосходит необходимый, хотя это и не вызывается эксплуатационными требованиями; в связи с этим необходимо учитывать реальные условия работы деталей и требования, которые должны предъявляться к ним по механическим и физико-механическим свойствам;

Детали из порошковых материалов имеют в среднем на 5-15 % меньшую плотность, что снижает расход материала и уменьшает массу изделия.

Выбор деталей для перевода на изготовление из металлических порошков необходимо производить в два этапа. На первом этапе оценивают технологичность детали с точки зрения требований порошковой металлургии и определяют возможную схему технологического процесса. На этом этапе деталь анализируют по следующим признакам:

Форме и конфигурации детали (отбирают детали, для которых могут быть применены известные технологические схемы изготовления деталей из порошков, определяют группу сложности детали);

Геометрическим размерам (вычерчивают эскиз спеченной заготовки, анализируют необходимость и возможность изменения размеров и формы детали, необходимость операции калибровки, характер расположения детали в пресс- форме и т. п.;

По давлению прессования оценивают мощность прессового оборудования;

Определяют объем и необходимость последующей механической обработки;

Механическим и физико-механическим свойствам материала (выбирают марку порошкового материала, назначают окончательную схему технологического процесса).

На втором этапе анализируют технико-экономические показатели производства изделий и определяют экономическую целесообразность их перевода на изготовление из порошков.

Анализ осуществляется по показателям:

Годовой программе деталей (отбирают детали, количество которых не ниже критической серийности; при программе ниже критической производство спеченных деталей экономически нецелесообразно; для деталей с особыми свойствами не представляется возможным установить экономически целесообразный уровень серийности, поэтому вопрос о переводе их на изготовление методом порошковой металлургии должен решаться индивидуально);

Коэффициенту использования металла (проводят сравнительный анализ Ки м при производстве деталей по существующей технологии и методом порошковой металлургии (Ки м при изготовлении деталей из порошков составляет не менее 0,75 и зависит от технологической схемы производства);

Себестоимости (осуществляют сравнительный анализ себестоимости изготовления деталей по вариантам).

По завершении подбора номенклатуры деталей для перевода на изготовление их из порошковых материалов для каждой детали оформляют техническое заключение, где анализируемые детали подразделяются на три категории.

К первой относят детали, для которых имеется достаточный опыт по внедрению в промышленное производство деталей подобной сложности и из данного материала. Детали могут быть полностью изготовлены по отработанной технологии.

Ко второй категории относят детали, для которых нет достаточного опыта по внедрению в производство; необходимы проверка отдельных технологических решений по схеме производства и проведение натурных испытаний детали.

К третьей категории относят детали, для изготовления которых нет опыта по формообразованию и отсутствует технология производства; необходимы разработка технологии изготовления детали из данного материала и комплексное исследование материала детали.

Детали, получаемые из порошковых материалов, в соответствии с работой подразделяются на три группы: простую, сложную и весьма сложную. Каждая группа имеет подгруппы сложности. Эскизы деталей для соответствующих групп сложности представлены на рис. 2.45.

При конструировании деталей, предназначенных для изготовления методом порошковой металлургии , следует учитывать ряд ограничений, обусловленных технологией порошковой металлургии (рис. 2.46):

Максимально упрощать форму детали;

Не допускать боковых впадин, круговых канавок, обратной конусности и отверстий, непараллельных оси прессования;

Избегать тонких стенок, узких пазов, острых углов и т. п.;

Изменения размеров по толщине и диаметру должны быть минимальными;

Стремиться использовать круглые сечения взамен квадратных и прямоугольных;

Радиус закругления у наружных углов выбирать не менее 2,5 мм, а у внутренних - 0,25 мм;

При однократном холодном прессовании с последующим спеканием может быть достигнута следующая точность размеров: 0,03-0,05 мм (радиальные размеры); до 0,12 мм (размеры по высоте);

Шероховатость поверхности спеченных деталей определяется шероховатостью поверхности пресс-форм, однако наличие пористости в деталях не позволяет получать полированные поверхности;

Изделия высотой (длиной) более пяти диаметров могут обладать неоднородной плотностью; для получения высокой однородности металла отношение длины к максимальному размеру поперечного сечения детали не должно превышать трех;

для получения высоких прочностных характеристик обрабатываемых деталей необходимо использовать более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. (дальнейшее совершенствование этого метода - изостатическое прессование, реализуемое на специальных изостатических прессах).

Изостатическое прессование в отличие от обычных методов осуществляют с помощью газа (или жидкости), находящегося под высоким давлением и равномерно (изостатически) сжимающего заготовку вдоль всей ее поверхности. Изделия, полученные изостатическим прессованием, характеризуются высокой и равномерной плотностью. Исходным материалом чаще всего служит металлический или керамический порошок. Его заключают в плотную эластичную капсулу и прессуют в контейнере высокого давления. В изостатических прессах можно прессовать заготовки диаметром 1000 мм и высотой 2500 мм и более.

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.