Основные сведения о порошковой металлургии.

Методы получения порошков. Методами по­рошковой металлургии можно получать сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге при расплавлении, а также сплавы из тугоплав­ких металлов и металлов особо высокой чисто­ты. Порошковой металлургией изготовляют как заготовки, так и разнообразные детали точных размеров. Порошковая металлургия позволяет получать пористые материалы и детали из них, а также детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов. Методы порошковой металлургии поз­воляют получить материалы и детали, обладаю­щие высокой жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, с заданными стабильными магнит­ными свойствами, особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья или обработкой давлением.

Процесс производства деталей и изделий из порошковых материалов заключается в приго­товлении металлического порошка, составлении шихты, прессовании и спекании заготовок. Ме­таллические порошки получают механическими и физико-химическими методами.

При механических методах порош­ки вырабатывают измельчением твердых или распылением жидких металлов без изменения их химического состава. Для измельчения твер­дых хрупких материалов применяют шаровые, вихревые и вибрационные мельницы. Измельче­ние обрабатываемого материала производят ударным и истирающим действием шаров (стальных или чугунных). Следует учитывать, что при получении металлических порошков ме­ханическими методами возможно их загрязнение.

Шаровая мельница состоит из стального ба­рабана, в который загружают размалывающие шары и обрабатываемый материал. Частицы по­рошка, полученного в шаровых мельницах, име­ют вид неправильных многогранников размера­ми 100—1000 мкм. Размол в вихревых мельни­цах более интенсивен, чем в шаровых. В каме­ре вихревой мельницы имеется два пропеллера, которые, вращаясь в противоположные стороны, создают пересекающиеся воздушные потоки. Ма­териал (рубленая проволока, стружка, обрезки и другие мелкие кусочки), загруженный в каме­ру, захватывается воздушными потоками и за счет взаимного соударения дробится на частицы размером от 50 до 200 мкм. Полученные частицы имеют тарельчатую форму и зазубренные края.

Для получения тонких порошков из хрупких карбидов металлов и окислов применяют вибра­ционные мельницы. Вибромельницы наиболее производительны, их работа основана на высоко­частотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров за счет со­вершения барабаном мельницы круговых колеба­ний высокой частоты.

Для получения порошков из олова, свинца, алюминия, меди, а также из железа и стали применяют распыление струи жидкого металла кинетической энергией воздуха, воды, пара или инертных газов. Полученные частицы порошка имеют размеры 50—350 мкм и фирму, близкую к сферической.

При получении порошков физико-химическими методами происходят изменения химического состава и свойств исходного мате­риала. Основными физико-химическими метода­ми являются химическое восстановление метал­лов из окислов, электролиз расплавленных со­лей, карбонильный метод и метод гидрогениза­ции.

Химическое восстановление окислов метал­лов осуществляют газообразными или твердыми восстановителями. В качестве газообразных вос­становителей широко используют природный, до­менный и углекислый газы, а также водород. Получающуюся при химическом восстановлении металлическую губку подвергают размолу. Сре­ди физико-химических методов получения по­рошков этот метод наиболее дешевый. Порошки чистых и редких металлов (тантала, циркония и др.) в виде дендритов величиной 1 —100 мкм по­лучают электролизом расплавленных солей ме­таллов. Электролиз позволяет получать чистые порошки из загрязненного сырья. Карбонильный метод позволяет получать порошки магнитного железа, никеля и кобальта в виде сфероидов ве­личиной 1—800 мкм. Получающийся этим мето­дом продукт при температуре 200—300°С распа­дается на порошок металла и окись углерода. В основе метода гидрогенизации лежит восстанов­ление хрома гидратом кальция. Получающаяся при этом известь вымывается водой, а порошок металла состоит из дендритов величиной 8— 20 мкм.

Порошки, полученные физико-химическими методами, являются наиболее тонкодисперсными и чистыми. В зависимости от размера частиц по­рошки классифицируют по гранулометрическому составу на ультратонкие до 0,5 мкм, очень тон­кие 0,5—10 мкм, тонкие 10—40 мкм, средней тонкости 40—150 мкм и крупные 150—500 мкм.

Характеристиками основных технологических свойств порошков являются насыпная масса, те­кучесть, прессуемость и спекаемость.

Насыпная масса — масса 1 см³ сво­бодно насыпанного порошка в граммах. Если по­рошок имеет постоянную насыпную массу, то при спекании будет обеспечиваться постоянная усадка. Один и тот же порошок может иметь различную насыпную массу в зависимости от способа получения. Для изготовления высокопо­ристых изделий следует использовать порошки с малой насыпной массой, а для разнообразных деталей приборов и машин — с большой насып­ной массой.

Текучесть — способность порошка запол­нять форму. Она характеризуется скоростью прохождения порошка через отверстие опреде­ленного диаметра. С уменьшением размера ча­стиц порошка его текучесть, ухудшается. Теку­честь в большей степени влияет на равномерность заполнения формы порошком и на скорость уплотнения при прессовании.

Прессуемость- способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и характеризуется прочностью сцепления частиц порошка после прессования. На прессуемость оказывают влияние пластичность материала, размер и форма частиц порошка. С введением в состав порошков поверхностно-активных веществ прессуемость их повышается.

Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц, возникающую в результате термической обработки прессованных заготовок.

Приготовление шихты. Дозированные порции порошков определенного химического и грануло­метрического состава и технологических свойств ~ смешивают в барабанах, мельницах и других устройствах. При необходимости особо равно­мерного перемешивания шихты применяют до­бавки спирта-бензина, глицерина и дистиллиро­ванной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного на­значения: пластификаторы, облегчающие прессо­вание (парафин, стеарин, глицерин и др.), лег­коплавкие присадки, летучие вещества, позволя­ющие получать изделия с заданной пористостью.

Формование заготовок и изделий. Прессова­ние порошков в холодном или горячем состоянии осуществляют прокаткой и другими способами.

При холодном прессовании в мат­рицу пресс-формы засыпают шихту и рабочим пуансоном производят прессование. После сня­тия давления изделие выпрессовывают из матрицы выталкивающим пуансоном. В процессе прес­сования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформациям, при этим резко увеличивается, контакт между частицами порошка и уменьшается пористость, что дает возмож­ность получить заготовку нужной формы и до­статочной прочности. Прессование выполняют на гидравлических или механических (эксцентрико­вых, кривошипных) прессах. Давление прессова­ния составляет 200-1000 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия.

Широкое распространение получили прессы автоматического действия (рис. 6.1). Шихта, за­гружаемая в приемный бункер 1, перемещается в заполняющий рукав 2 под действием собствен­ного веса. Рукав заканчивается над пресс-фор­мой 3 ft может перемещаться по столу 4 пресса. Положение нижнего выталкивающего пуансона 5 определяет количество засыпаемого порошка,

Рис. 6.1. Схема автоматического формования

т. е. в данном случае дозировка и питание пресс: формы совмещаются. После заполнения пресс-формы рукав отходит в сторону и дает возможность произвести давление посредством верхнего рабочего пуансона 6. Заготовка выталкивается нижним пуансоном, а рукав перемещается для следующей засыпки, одновременно сталкивая заготовку со стола в специальный лоток. Такие прессы иногда снабжаются вращающимися столами, на которых устанавливается несколько пресс-форм. Производительность автоматических прессов достигает нескольких тысяч заготовок в час.

При горячем прессовании в пресс-форме изделие не только формуется, но и под­вергается спеканию, что позволяет получать бес­пористый материал с высокими физико-механи­ческими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или восста­новительной атмосфере, в широком интервале температур (1200—-1800°С) и при более низких давлениях, чем холодное прессование. Приложе­ние давления обычно производится после нагре­ва порошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из трудно деформи­руемых материалов (боридов, карбидов и др.).

Прокатка металлических порош­ков является непрерывным процессом получе­ния изделий в виде лент, проволоки, полос путем деформирования в холодном или горячем состоя­нии. Прокатку производят в вертикальном, на­клонном и горизонтальном направлениях. Наи­лучшие условия формования изделия создаются при вертикальной прокатке. Сначала порошок из бункера поступает в зазор между вращающи­мися обжимными валками и обжимается в заго­товку, которая направляется в проходную печь для спекания, а затем прокатывается в чистовых валках. Объем, порошка при прокатке уменьша­ется в несколько раз. При прокатке ленты отно­шение диаметра валков к толщине ленты должно находиться в пределах от 100:1 до 300:1. Ско­рость прокатки порошков значительно меньше скорости прокатки литых металлов и ограничи­вается текучестью порошка. Поэтому линейная скорость поверхности вращающихся валков должна быть меньше скорости перемещения ме­таллического порошка из бункера в зазор меж­ду валками. Прокаткой можно получать одно­слойные и многослойные изделия, ленты толщи­ной 0,025—3 мм и шириной до 300 мм, проволо­ку диаметром от 0,25 мм и более К т. д. Непре­рывность процесса обеспечивает высокую произ­водительность и возможность автоматизации.

Для придания деталям и изделиям необходи­мой прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий некоторое время в печи при температуре, примерно равной 0,6—0,8 темпера­туры плавления основного компонента. Спека­ние производят в электропечах сопротивления, индукционным нагревом или посредством непо­средственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления метал­лических порошков спекание ведут в аргоне, ге­лии, вакууме или в среде водорода. Во избежа­ние коробления тонкие и плоские детали спекают под давлением. Для придания изделиям окон­чательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания подвергают отделоч­ным операциям: калиброванию, обработке резанием, химико-термической обработке и раз­мерной обработке электрофизическими метода­ми, повторному прессованию.

Калибрование заключается в продавливании спеченного изделия через отверстие соответствую­щего сечения в пресс-форме. В результате калиб­рования происходит уточнение размеров изделия, полирование его поверхности и некоторое сниже­ние пористости.

Обработку резанием выполняют для получе­ния из прессованных заготовок деталей сложных форм (волоки для волочения, твердосплавные вставки и матрицы штампов и т. д.), для нареза­ния наружных и внутренних резьб, для получе­ния небольших по диаметру, но глубоких, отвер­стий.

Химико-термическую обработку (азотирова­ние цианирование и т. д.) вы­полняют так же, как и для металлов. Наличие пористости, а следовательно, и более развитой поверхности, способствует более активному осу­ществлению химико-термических процессов.

Электрофизические методы — электроискро­вую и электроимпульсную обработку применяют для получения деталей сложной формы. Сущ­ность электроискровой обработки заключается в использовании электроимпульсного искрового разряда между двумя электродами, один из ко­торых является обрабатываемой, хромирование, заготовкой, (анод), а другой — инструментом (катод). При электроимпульсной обработке применяют обрат­ную полярность включения электродов. Это при­водит к меньшему износу инструментов — элек­тродов и повышению производительности в не­сколько раз, чем при электроискровой обработ­ке. Эти методы основаны на использовании яв­ления эрозии (разрушения) токопроводящих электродов при пропускании между ними им­пульсного электрического тока. В результате возникающего разряда температура на поверх­ности обрабатываемой заготовки — электрода возрастает за очень малый промежуток времени до 10000—12000°С, металл мгновенно оплав­ляется и испаряется. Удаленный металл засты­вает в среде диэлектрической, жидкости в виде гранул.

Повторное прессование используют для из­готовления деталей сложной формы. Повтор­ным прессованием обеспечиваются заданные раз­меры и требуемая форма заготовки, имеющей после первого прессования более простую форму и приближенные размеры.