Что такое порошковая металлургия технология

Особенности технологии порошковой металлургии

Порошковая металлургия – отрасль промышленности, включающая в себя определенный набор способов производства металлических порошков, а также изготовление деталей из этих материалов. Это направление металлургии как способ получения готовых изделий начало активно развиваться около ста лет назад.

Плюсы производства

Такой способ производства деталей имеет ряд преимуществ, которые позволяют ему вытеснять более дорогие методы обработки металлов: литье, ковку и штамповку.

Существующий ряд преимуществ:

Технология производства методом порошковой металлургии имеет много общего с изготовлением керамических изделий.

Эти процессы объединяет то, что сырьевой материал (в одном случае это песок и глина, в другом – металл) погружается в раскаленную печь. В итоге получается пористая структура материала. Такая схожесть технологических процессов привела к тому, что детали, изготовленные методом порошковой металлургии, называют металлокерамическими.

Технологический процесс производства порошков

Получение металлокерамической детали начинается с изготовления порошков. Порошки бывают разных фракций и различных размеров. Отсюда – различие в способах их производства.

Существуют две группы принципиально разных методов получения порошков:

Имеются ключевые моменты применяющихся способов производства металлических порошков:

Физико-механические методы

Порошок требуемых фракций получают в центробежных мельницах разного типа.

Первичное измельчение – промежуточный этап производства порошков. Его осуществляют в конусных и валковых дробилках. В этих устройствах получат мелкие частицы металла с размером, не превышающим 1 см.

Процедура измельчения может длиться, в зависимости от применяемой технологии, от одного часа до 3–4 суток. Когда требуется сократить этот процесс, применяются уже не шаровые, а вибрационные мельницы.

В таких мельницах интенсивность процесса возрастает за счет присутствия усилий резания и создания переменных напряжений. Окончательный размер порошковых частиц составляет от 0,009 мм до 1 мм.

С целью повышения производительности процесса измельчения, его осуществляют в условиях жидкостного воздействия – для недопущения распыления металла. Объем задействованной жидкости составляет 40% от массы измельчаемых частиц.

Для измельчения твердосплавных частиц применяют планетарные центробежные мельницы. Отрицательной стороной работы такого устройства считается периодичность ее работы.

Физико-механические методы не подходят в случае необходимости измельчения цветных металлов, обладающих высокой пластичностью. Пластичные металлы измельчаются вихревыми мельницами, их принцип действия основан на измельчении частиц путем их взаимных ударов.

Химико-металлургические методы

Чаще остальных применятся метод восстановления железа. Выполняется он из рудных окислов или окалины, образующейся в процессе горячей прокатки. Во время реакции восстановления металла нужно постоянно отлеживать количество газообразных соединений в составе порошка.

Превышение предельно допустимой нормы их содержания, приведет к повышенной хрупкости порошка. А это, в свою очередь, делает невозможным операцию прессования. Если избежать этого превышения не удалось, применяют вакуумную обработку, удаляющую большое количество газов.

Способ, основанный на распылении и грануляции – самый дешевый и простой при получении порошков. Дробление происходит под воздействием струй расплава или инертного газа. Распыление осуществляется с помощью форсунок. Регулируемые параметры процесса распыления – температура и давление газового потока. Охлаждение – водяное.

Применение электролиза как метода производства порошков наиболее целесообразно для задачи получения медных порошков, которые имеют высокую степень чистоты.

Производство порошковых изделий

Свойства металлических порошков

Порошки, как и любой другой материал, имеет ряд стандартных свойств, которые влияют на его технологическую пригодность. Специалисты к ним относят следующие свойства:

Получение изделий из порошков

В независимости от метода получения металлических порошков, его дальнейший путь лежит через обработку давлением с помощью специальных пресс-форм.

Для формообразования изделий из порошков применяют прессование с применением пресс-форм, прокатку и шликерную формовку.

Последняя является аналогом литья расплавленного металла в форму. Таким способом изготавливаются детали, имеющие форму тел вращения.

Формовка

Формование порошков – подготовительная операция, предваряющая процесс прессования. Включает в себя термообработку, подготовку смеси и дозировку. Повысить свойства пластичности порошков помогает термический отжиг.

Термообработка проходит в среде защитных газов при температуре от 40 до 60 процентов от температуры плавления металла. Для получения однородности состава порошков, они подвергаются обязательно операции сепарирования: просеивания металлических частиц через специальные сита. Только после того, как порошок просеян, следует переходить к приготовлению смеси порошков нужного состава.

Прессование

Суть процесса прессования заключается в плотном соединении частичек металлического порошка друг с другом. Рабочее давление механического пресса при этом составляет от 1 до 6 тыс. кг на квадратный сантиметр.

Изделия, полученные прессованием, не имеют высоких прочностных характеристик. Поэтому им требуется термообработка, заключающаяся в спекании порошков. Частицы металла в процессе расплавления образуют между собой крепкие межатомные связи, делая деталь однородной по своей структуре.

Стоит отметить, что часто операции прессования и спекания объединены в одну – горячее прессование.

Причем нагрев в этом случае осуществляют токами высокой частоты.Производство деталей из порошков методом горячего прессования значительно сокращает время, затрачиваемое на их изготовление.

Этот фактор позволяет экономить энергетические ресурсы и снижает себестоимость производства изделий.

Области применения деталей порошковой металлургии

Порошковая индустрия как способ изготовления и обработки металлов очень разнообразен по своим технологическим методам. Это дает возможность получать детали требуемого состава и необходимых свойств.

Применяя методы порошковой металлургии производства, специалисты могут производить новейшие композитные материалы, получения которых традиционными методами невозможно. Производство деталей машин и механизмов из металлических порошков дает существенную экономию на материале, за счет получения низкого расходного коэффициента.

Металлокерамические изделия применяются в широком спектре областей приборостроения, радиоэлектроники и машиностроения. Применяются порошки и в производстве режущего инструмента: резцов, сверл.

Производство изделий из металлических порошков в настоящий момент имеет высокую степень автоматизации. Технологическая простота операций позволяет применять работников без высокой квалификации. Эти факторы благоприятно отражаются на себестоимости продукции порошковой металлургии.

При уровне пористости порошков, который не превышает норму, они не уступают по показателю коррозионной стойкости. Особенно деталям, изготовленными стандартными способами.

Изделия порошковой металлургии обладают способностью хорошо переносить резкие скачки температур. Поэтому они применяются в средах, работающих в таких условиях.

Детали узлов трения

Специфика применения металлокерамических изделий обусловлена их свойством хорошо удерживать смазочные материалы. Эта их особенность определяется пористой структурой.

Это свойство способствует изготовлению из порошков деталей, испытывающих в своей работе трение: подшипники скольжения, направляющие втулки, вкладыши, щетки электродвигателей.

Пористая структура подшипников из порошков позволяет пропитывать их маслом. Впоследствии смазка попадает на трущиеся поверхности. Такие подшипники получили название самосмазывающиеся.

Они имеют следующие достоинства:

Свойство пористости металлокерамических деталей специалисты могут усилить, если при изготовлении добавлять в них графит, который, как известно, обладает высокими смазывающими свойствами. Подшипники с повышенным содержанием графита не нуждаются в применении масла.

Композитные материалы

Большое развитие порошковая индустрия получила с развитием высокотехнологичной техники, требующей изделий из композитных материалов. Отличие композитов от сплавов состоит в возможности получать прочные соединения разнородных металлических и неметаллических компонентов.

Выплавка традиционным способом в металлургических печах не создает растворов, например, вольфрама и меди. После возникновения композитных материалов эта проблема была решена.

Достигается такой результат обыкновенным смешиванием нужных компонентов, приданием формы на прессе с последующим спеканием.

Ядерное топливо также является композитным материалом.

Твердые сплавы

Твердосплавные изделия получают методами металлокерамики. Повышенная твердость достигается включением в состав карбидных включений. Как известно, с увеличением доли углерода в металле, возрастает его твердость.

Карбидные соединения дают высокую вязкость, сохраняя прочностные свойства порошка. Металлокерамические детали нужны там, где необходима их высокая износостойкость. Чаще всего, это режущий инструмент, а также твердосплавные матрицы и пуансоны для листовой штамповки.

Порошковая металлургия

Контактные материалы

Изделия из электроконтактных материалов. Порошковая индустрия незаменима для производства электрических контактов, применяемых в электронике и радиотехнике. В этих отраслях применяются так называемые ферромагнитные порошки.

Другие сферы применения порошков

Еще одним полезным свойством порошков является их жаростойкость, что позволяет применять их в различных тормозных механизмах. Жаростойкие свойства металлокерамики возрастают с добавлением в ее состав хрома, никеля и вольфрама.

Практически все современные магнитные детали производятся из металлических порошков. Технология порошковой металлургии позволяет получить соединения железа с различными силикатами.

Применяют металлокерамические изделия также для фильтрации газов и горючих веществ.

Недостатки порошков

Среди недостатков методов порошковой металлургии следует выделить невозможность изготовления деталей, имеющих сложную геометрическую форму, а также относительно небольшой размер изделий. Прочность и однородность структуры порошков уступает деталям, изготовленным методами объемной штамповки, горячей ковки и волочения.

Детали, изготовленные из порошков, имеют более низкую плотность, в сравнении с деталями, изготовленными обработкой металлов давлением. Этот фактор имеет повышенное значение, когда нужно облегчить какой-либо узел механизма. Это дает возможность инженерам-конструкторам решать задачи уменьшения расхода металла, не теряя эксплуатационных свойств деталей.

Порошковая металлургия требует строго соблюдения мер пожарной безопасности. Склонность к самовозгоранию порошков – опасный производственный фактор, требующий четкого соблюдения правил техники безопасности.

Будущее порошковой металлургии

Развитие порошковой металлургии обязано преследовать цель увеличения номенклатуры изделий, которые мастера могут изготовить этим способом.

Детали сложных конфигураций, которые сейчас получают на заводах только обработкой резанием, должны в будущем изготавливаться методами порошковой металлургии. Это позволит уменьшить материалоемкость производства сложных деталей.

Дальнейшая автоматизация производственного процесса – отличительная черта современных промышленных предприятий. Касается она и производства изделий из металлических порошков.

Снижение влияния человеческого фактора на технологический процесс, повышает точность изготовления деталей.

Качество изделий порошковой металлургии с течением времени должно конкурировать с передовыми технологиями производства деталей машин и механизмов. Повышение качества и снижение себестоимости готовой продукции – приоритетная задача предприятий порошковой металлургии.

Видео: Получение порошков

Источник

Порошковая металлургия

Из металлов и различных сплавов могут производиться порошковые составы. Они могут применяться самым различным образом для защиты заготовок и деталей. Порошковая металлургия – активно развивающаяся область, которая имеет огромное количество особенностей. Это направление металлургии появилось более ста лет назад.

Получение порошков

Для производства порошка могут применяться самые различные технологии, но их объединяют следующие моменты:

Рассматривая наиболее распространенные технологии порошковой металлургии отметим, что они делятся на две основные группы:

Кроме этого, выделим следующие особенности производства порошка:

Некоторые из приведенных выше технологий порошковой металлургии получили большое распространение в промышленности по причине высокой производительности и эффективности, другие сегодня практически не применяются из-за повышения стоимости получаемого сырья.

Компактирование

Порошковая металлургия также предусматривает проведение процедуры, которая основана на получении полуфабрикатов в виде прутков и лент. После прессования можно получить практически готовое к применению изделие.

К особенностям процесса компактирования можно отнести нижеприведенные моменты:

Принцип порошковой металлургии

Рассматривая процесс прессования порошка, отметим применение следующих технологий:

Для того чтобы ускорить процесс компактирования, изделия порошок подвергается воздействию высокой температуры. В большинстве случаев расстояние между отдельными частицами уменьшается за счет воздействия высокого давления. Большой прочностью обладают порошки, изготавливаемые из мягких металлов.

Спекание

Финальный этап в порошковой металлургии заключается в воздействии высокой температуры. Практически любой метод порошковой металлургии предусматривает воздействие высокой температуры. Проводится спекание для достижения следующих целей:

Для термического воздействия проводится установка специального оборудования. Защитная среда, как правило, представлена инертными газами, к примеру, водородом. Процесс спекания может проводится и в вакууме для повышения эффективности применяемой технологии.

Индукционный метод нагрева также пользуется большой популярностью. Он предусматривает использование индукционных печей, которые производят или изготавливают своими руками. В продаже встречается оборудование, способное объединять несколько технологических процессов: спекание и прессование.

Применение продуктов порошковой металлургии

Порошковую металлургию применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и многих других отраслях промышленности. Это связано с тем, что применяемая технология производства позволяет получать детали сложной формы. Кроме этого, современные технологии порошковой металлургии позволяют получить детали, обладающие:

Продукция порошковой металлургии

Также распространение этой технологии можно связать с низкой себестоимостью получаемых изделий.

Достоинства и недостатки
Метод получения изделий из порошков получил достаточно широкое распространение по причине большого количества достоинств:

Металлургический порошковый метод характеризуется и несколькими недостатками:

Сегодня порошковая металлургия активно применяется в самых различных отраслях промышленности. Кроме этого, ведутся разработки, которые направлены на улучшение качества получаемых изделий.

В заключение отметим, что при соединении мелких частиц различных металлов и сплавов получаются материалы с особыми эксплуатационными качествами.

Источник

Методы порошковой металлургии: принципы и технологии

В статье рассматриваются методы порошковой металлургии для производства различных изделий. Описаны различные подходы, получаемые продукты, а также их свойства.

Сущность технологии метода ПМ состоит в получении порошков чистых металлов и многокомпонентных сплавов с их последующим поэтапным безотходным преобразованием в готовые к эксплуатации материалы, изделия и покрытия требуемых функциональных параметров.

1. Методы изготовления порошков и их характеристики

Изготовление порошков – наиболее сложная в техническом отношении, самая затратная и трудоемкая стадия процесса ПМ. На сегодняшний день разработано значительное количество способов их получения, что обеспечивает возможность наделения конечных продуктов тем или иным набором свойств, определяющих сферу применения.

1.1. Физико-механический метод

В рамках данного метода исходное сырье преобразуется в порошок без нарушения химсостава, посредством механического измельчения, как в твердом агрегатном состоянии, так и виде жидкого расплава.

1.1.1. При дроблении и размоле твердого сырья изначальные размерные параметры частиц уменьшаются до заданных значений. Данный способ целесообразнее всего использовать при измельчении материалов высокой степени хрупкости, в частности, Si, Sb, Cr, Mn, сплава Al+Mg, а также ферросплавов на основе Fe.

Рисунок 1. Основные виды динамического измельчения.

Фаза дробления частиц до размеров от 1 до 10 мм (грубое измельчение) выполняется с использованием дробильных агрегатов различных типов конструкции (шнековых, валковых, конусных, бегунковых и др.). Для тонкого и сверхтонкого измельчения частиц после дробления (размол до стадии порошков) применяют специальные мельницы, преимущественно барабанного типа с электроприводом (рис. 2 и 3.).

Рисунок 2. Шаровая мельница барабанного типа с электроприводом.

Рисунок 3. Принцип действия шаровой мельницы барабанного типа: 1-кожух барабана; 2-размольные шары; 3-плиты для футеровки; 4-электропривод.

В рабочий барабан мельницы помещают стальные или твердосплавные шаровидные размольные элементы, а затем – материал, подвергаемый размолу. В зависимости от интенсивности вращения барабана размольные элементы могут подниматься на различную высоту, вследствие чего размол возможен в различных режимах (скольжение, перекатывание, свободное падение), а также в режиме наивысшей интенсивности.

При необходимости использовать для размельчения еще более интенсивный частотный режим применяют вибромельницы (рис. 4). В подобных агрегатах измельчение частиц осуществляется за счет их усталостного разрушения вследствие создания переменной амплитуды усилий сжатия и срезывания.

Рисунок 4. Вибромельница МВ-420.

Объем рабочего барабана 420 л, мощность 46 кВт. Рабочий барабан (1), в котором размещены размольные шары, установлен на раму станины (7) посредством специальных амортизирующих пружин (3). Вращение дебалансного вала осуществляется электроприводом (2). При этом допускается регулирование крутящего момента вала, для чего используются выносные дебалансные группы (4). При помощи шнекового питающего устройства происходит непрерывная подача измельчаемой массы в загрузочную горловину барабана (5). Выгрузка готового порошка выполняется по принципу «самотека» через разгрузочное отверстие (6).

Тонкий помол трудноизмельчаемых материалов обычно производят с использованием мельниц планетарно-центробежной конструкции (рис. 5) с размольными шарами.

Рисунок 5. Принципиальная схема мельницы планетарно-центробежного типа.

Измельчение пластичных металлов производится на мельницах роторно-вихревого типа (рис 6.), в которых частицы саморазрушаются под воздействием ударных нагрузок.

Рисунок 6. Принцип действия мельницы роторно-вихревой конструкции.
Исходное сырье поступает в загрузочный бункер 1, где под действием турбулентных завихрений, создаваемых вращающимися с различной частотой спиралевидными шнеками 2 и 3, частицы, соприкасаясь друг с другом, саморазрушаются: происходит их преобразование в порошок требуемой консистенции.

1.1.2. Наименее сложным и одновременно едва ли не самым малозатратным считается способ изготовления порошков путем распыления и грануляции жидких расплавов металлов, Т° плавления которых не превышает 1650°C (Al, Zn, Cu, Pb, Ni, Fe, ферросплавы и др.)

Суть данного способа механического измельчения заключается в дроблении струи расплава на мельчайшие капли под воздействием энергонасыщенного жидкостного либо газового потока, которые, остывая, оседают в виде частиц порошка. Образование расплавов происходит в специальных электрических печах, нередко в защитных средах, образуемых инертными газами.

1.2. Химико-металлургический метод

1.2.1. Порошки восстановленные (ПВ) изготавливают с применением различных химических веществ-восстановителей, которыми воздействуют на соли и оксиды металлов для отделения неметаллической фракции (солевого остатка, газов). Данный способ применяется, в частности, для получения порошков Co, Ni, W, Mo, Fe, Cu, Nb и других металлов.

1.2.2. Способ изготовления порошков электролитических (ПЭ) состоит в осаждении частиц чистого металла на катоде под воздействием постоянного тока на соответствующий электролит в виде раствора либо расплава. Этим способом получают, в частности, электролитические порошки W, Ni, Fe, Cu, Ti, Zr, Nb, Та, U и др.

1.2.3. Порошки карбонильные (ПК) изготавливают путем разложения в заданном температурном режиме карбонильных металлических соединений на исходные составляющие: частицы чистого металла и газообразный монооксид углерода СО, который удаляется. Карбонильный способ применяют для получения карбонильных порошков W, Mo, Fe и ряда прочих металлов.

1.3. Свойства порошков

Порошки металлов различаются по своим физико-химическим и технологическим свойствам.

К категории физических свойств относятся форморазмеры и гранулометрический состав частиц, характеристики их удельной поверхности, а также плотность (пикнометрическая/насыпная) и способность деформироваться, именуемая микротвердостью.

Набор химических свойств определяется химическим составом сырья и метода/способа изготовления. Допустимая концентрация в готовой порошковой продукции нежелательных примесей не должна превышать значения 1,5-2%.

Одним из важнейших химических свойств является степень газонасыщенности порошка, что особенно актуально для порошков, получаемых путем восстановления, из состава которых бывает трудно удалить определенную часть газообразных восстановителей и продуктов реакции. В электролитических порошках может содержаться некоторая доля катодного водорода. В составе порошков карбонильного генеза могут в растворенном состоянии наличествовать О₂, СО, СО₂ и другие газы, по мере увеличения процентного содержания которых возрастает степень хрупкости порошка, что затрудняет процесс формовки из них заготовок будущих изделий.

К категории химических причисляют и такие свойства порошков, как степень токсичности и пирофорности. Большинство металлических порошков токсично, причем степень токсичности тем ниже, чем меньшие размеры имеют частицы. Под пирофорностью понимают способность порошков некоторых активных самовоспламеняться вплоть до взрыва при контакте с кислородом воздуха. Любые работы с такими порошками необходимо проводить в рамках строжайшего соблюдения мер безопасности.

К технологическим свойствам порошков относят показатели их текучести, прессуемости и формуемости.

2. Предварительная подготовка порошковой смеси

Преобразование уже изготовленного металлического порошка в конечные изделия начинается с предварительной подготовки исходной смеси (шихты), которая в последующем будет подвергаться формованию и спеканию.

2.1. Рекристаллизационный отжиг порошков необходим для повышения показателей их пластичности и прессуемости. Путем отжига удается восстановить остаточные оксиды и удалить внутреннее напряжение – наклеп. Для отжига порошки подвергают нагреву в восстановительно-защитных газовых или вакуумных средах в диапазоне температур от 0,45 до 0,65 от абсолютного значения Т° плавления того металла, из которого они состоят. Так, отжиг порошка Cu осуществляют в восстановительном потоке инертных газов при Т° от 360 до 420 0С, а порошка Fe – при Т° от 660 до 770 °С. Обычно отжигу подвергают порошки, изготавливаемые способами механоизмельчения, электролиза и термокарбонильной диссоциации.

2.2. Классификацию порошков осуществляют их разделением по фракциям (в зависимости от тех или иных размерных параметров частиц) с применением специальных вибросит, имеющих ячейки соответствующих диаметров. Для разделения по фракциям применяют также воздушные сепараторы (рис. 7), а для классификации жидких смесей – способ центробежной дисперсной седиментации.

Рисунок 7. Общий вид центробежного воздушного сепаратора тонкого разделения CFS/HD-S и схема его действия.

Порошковый материал направляется нагнетаемым турбиной воздушным потоком в область разделения, где под действием центробежной силы происходит отделение т оседание тяжелых крупных частиц, удаляемых в нижнем направлении через разгрузочный клапан. Мелкие легкие частицы увлекаются циклонным потоком воздуха вверх и направляются на дополнительную сепарацию.

Для приготовления порошковой шихты используются фракции, сочетаемые в требуемом процентном соотношении.

2.3. Смешивание – важнейшая из подготовительных операций процесса ПМ – производится путем приготовлении из металлопорошков различного химико-гранулометрического состава (возможны легирующие добавки порошков неметаллических элементов) однородной субстанции – шихты. От того, насколько тщательно происходит смешивание, зависит однородность шихты, что исключительно важно для конечных функциональных свойств готовой металлокерамической продукции.

Чаще всего смешивание порошковых составляющих осуществляют механическим способом с применением специальных миксерах (рис. 8, 9).

Рисунок 8. Горизонтальный миксер без функции сушки.

Рисунок 9. Горизонтальный миксер с функцией сушки.

При смешивании с измельчением компонентов весовое соотношение загружаемой порошковой массы и шаровидных размольных элементов должно быть примерно равным (1:1). Смешивание, не сопровождающееся измельчением, выполняют в миксерах непрерывного действия барабанного, шнекового, лопастного, центробежного, планетарного, конусного типа.

Равномерность и быстрота распределения частиц порошковых компонентов в составе смеси будут тем эффективнее, чем ближе друг к другу абсолютные величины их плотности. При существенном расхождении абсолютных величин неизбежно расслоение составляющих. Для предотвращения этого фактора компоненты следует загружать по раздельности в следующей последовательности: в первую очередь наименее плотный с наиболее плотным, а затем уже все прочие. Целесообразнее всего проводить смешивание в жидкостных средах, несмотря даже на то, что техпроцесс в этом случае усложняется и является более затратным в экономическом отношении.

При подготовке шихты из высокотвердых компонентов (W, Mo, карбиды металлов) с целью повысить их формуемость в смешиваемую субстанцию нередко добавляют тяжелые спирты, бензин, глицерин, а также дистиллированную воду. Иногда для облегчения смешивания и последующего прессования осуществляют введение в смесь технологических присадок-пластификаторов на парафиново-стеариновой и глицериновой основе, а также летучих веществ, позволяющих изготавливать продукты требуемой степени пористости.

Раствор пластификаторов обычно заливается в перемешиваемую порошковую субстанцию, а по завершении процесса получаемая шихта тщательно высушивается и просеивается.

3. ФОРМОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Формование (формовка) в порошковой металлургии – это технологическая стадия, целью которой является уплотнение поступающего в пресс-форму заданного количества готовой сыпучей шихты и ее обжатие для придания форморазмеров готового к последующему спеканию изделия.

Этап формования заключается в преобразовании полученной сыпучей шихты в достаточно прочные первичные заготовки пористой структуры. На результаты формования порошка влияют его насыпная масса, способы предварительной обработки, сила и направленность формовочного давления, ряд других факторов.

Деформация частиц при формовке по своему генезу может быть одновременно упругой, хрупкой и пластической. На рис. 10 представлены некоторые виды перемещения частиц при формовке.

Рисунок 10. Виды перемещения частиц порошков в ходе формования.

Как видим, сближение частиц может сопровождаться увеличением площади контакта, не сопровождаясь (а) или сопровождаясь (б) их деформацией; при удалении частиц (в) площадь контакта уменьшается вплоть до его прерывания; при взаимоскольжении частиц (г) точка контакта смещается; в ходе перемещения частиц может возникать происходить хрупкая деформация, приводящая к их разрушению (д).

На рис. 11 представлена схема методов формования.

Рисунок 11. Схема методов формования металлических порошков.

Наиболее востребованными являются способы формовки путем прессования в стальных пресс-формах, гидростатического, мундштучного и динамического формования, а также прокатки и шликерного литья.

3.1. Холодная формовка в жестких пресс-формах

Формовка шихты в большинстве случаев осуществляется путем ее размещения в прочных стальных пресс-формах и последующего спрессовывания под давлением от 30 до 1200 МПа на прессовых агрегатах механического, пневматического или гидравлического принципа действия.

Формование порошка данным способом осуществляется поэтапно (рис. 12).

Рисунок 12. Этапы формовки.

Сразу после засыпки шихты наблюдается хаотичное размещение ее частиц по всему объему пресс-формы, с образованием т. наз. мостиков или арок (а). При внешнем давлении, по мере его повышения, частицы порошка, уплотняясь, заполняют пустоты, вследствие чего происходит разрушение мостиков и арок (б, в). На последующих стадиях спрессовывания наблюдается дальнейшее уплотнение частиц, сопровождаемое изменением границ между ними, что приводит к увеличению степени прочности заготовки (г). На конечном этапе процесса хрупкие частицы твердометаллических порошков разрушаются, а мягкометаллические частицы претерпевают пластическую деформацию (д).

На рис. 13 показаны схема одностороннего прессования и кривая ступенчатого роста плотности по высоте с ее отношением к минимальному диаметру поперечного сечения d:H/d = 2. 3.

Рисунок 13. Схема установки для одностороннего прессования и кривая роста ступенчатого плотности по отношению к давлению. 1 – матрица; 2 – пуансон уплотнения; 3 – нижний пуансон; 4 – порошок.

Если данное соотношение превышает 3, не достигая 5, то целесообразно применение двухстороннего прессования (рис. 14); при еще больших значениях показано использование других способов.

Рисунок 14. Схема установки, осуществляющей двустороннее прессование порошковых материалов: а – без нагрева, б – с нагревом.

Формовка изделий сложной конфигурации сопряжена с определенными трудностями, препятствующими обеспечению одинаковой плотности в тех или иных сечениях. С целью разрешения проблемы используют установки с несколькими пуансонами, что обеспечивает возможность прилагать к порошку различные усилия (рис. 15).

Рисунок 15. Схема формования изделий сложной конфигурации: 1- пуансон, 2-пуансон, 3-матрица, 4- нижний пуансон.

Формование в пресс-формах выполняется на прессовых агрегатах механогидравлического типа. Формовка заготовок со сложной конфигурацией осуществляется на прессах, оснащенных несколькими плунжерами.

3.2. Гидростатическое формование

При данном способе формовки для создания усилия сжатия используется жидкость, чем обусловлено его название. Процесс спрессовывания осуществляют путем сжатия шихты по всем направлениям.

При формовании гидростатическим способом (рис. 16) порошок предварительно засыпается в эластичный контейнер и подвергается вакуумированию, герметизируется и лишь после этого помещается в цилиндр с рабочей жидкостью, давление в котором поднимается до необходимых значений. Поскольку трение между стенками контейнера и частицами шихты оказывается предельно минимальным, плотность спрессованной заготовки равномерно распределяется по каждому из сечений.

Рисунок 16. Схема установки для гидростатического формования: 1 – рабочий цилиндр; 2 – пуансон; 3 – пресс-шайба; 4 – рабочая жидкость; 5 – матрица; 6 – уплотнитель; 7 – держатель матрицы; 8 – контейнер с шихтой.

Преимущество способа гидростатического формования заключается еще и в том, что при нем исключается анизотропия свойств – их внутренняя неравномерность и разнонаправленность.

3.3. Прокатка порошковой шихты

Формование прокаткой порошков осуществляется на прокатных станах. Порошок может поступать в валки, как показано на рис. 17, либо под воздействием силы тяжести (вертикальная свободная подача), либо в принудительном режиме (шнековая подача).

Рисунок 17. Вертикальная (а) и горизонтально-шнековая (б) подача материала.

Процесс прокатки является непрерывным и осуществляется в автоматическом режиме, что обеспечивает его высокую производительность.

3.4. Мундштучное формование

Способ заключается в формовании заготовок из шихты в смеси с пластификатором путем пропускания сквозь технологическое отверстие в матрице-фильере, по форме напоминающей мундштук. Практикуется формовка способом мундштучного прессования равноплотных изделий значительной длины (прутков, труб, уголков, швеллеров и т. п.) из труднопрессуемых порошков W, Мо, Th, Be и др.

Рисунок 18. Принцип мундштучной формовки.

На рис. 18 представлен принцип мундштучной формовки, состоящий в выдавливании в пресс-форму помещенной в контейнер (2) пластифицированной шихты пуансоном (1) через отверстие матричного мундштука (3).

В настоящее время в сфере порошковой металлургии для формовки металлокерамических заготовок широко применяют способ инжекционного формования, известный также как литье под давлением. Сущность способа сходна с принципом мундштучного прессования, только в данном случае через фильеру инжектора (мундштука) в пресс-форму впрыскивается не пластифицированный порошок, а его расплав.

3.5. Шликерное формование

Шликерным способом осуществляется формовка изделий сложной конфигурации. Его сущность состоит в том, что шликер в виде насыщенной однородной суспензии из порошковой шихты и технологической жидкости заливается в пористую форму-матрицу (рис. 19).

Рисунок 19. Схема установки для шликерного формования.

В корпусе матрицы (1) размещается сердечник (2), закрепленный узлами взаимной соосной установки (3). На одном из этих закреплена подпиточная емкость (4) с контролирующим устройством, через которую промежуток между матрицей и сердечником заполняется шликерной суспензией. Поступление шликера из подпиточного узла до необходимых пределов осуществляется за счет контроля высоты между неподвижним нижним контактом (6) и выставляемом по линейке (5) подвижным верхним контактом (7), жестко связанным с поплавком поплавковой камеры (8), при превышении уровня включающим сигнализационный блок (9).

По заполнении шликером жидкость частично впитывается матрицей и окончательно удаляется путем нагревания до Т° кипения. Сформованные же заготовки подвергают сушке на открытом воздухе или в специальных сушильных шкафах.

3.6. Динамическое формование

Динамическим формованием называют процесс формовки заготовок путем приложения значительных нагрузок в импульсном режиме. В качестве этой целью могут быть использованы следующие источники энергии.

3.6.1. Механическая вибрация (рис. 20).

Рисунок 20. Схема действия установки для виброударного формования.

Под воздействием насаженных на валы электродвигателей эксцентриков (3) подпружиненная прижимными пружинами (6) подвижная опорная площадка (1) вибрирует, передавая ударные импульсы закрепленной на ней подвижной матричной пресс-форме (4) с засыпанной в нее шихтой (5), уплотняемой статичным пуансоном (2). При этом сила ударов амортизируется гидроцилиндрами (7) с подпружиненными штоками, а также закрепленными на обращенной к фундаменту поверхности опорной площадки упругими прокладками (8).

3.6.2. Сила взрыва (рис. 21).

Рисунок 21. Схема процесса формования взрывом.

3.6.2. Другие способы вибрационных воздействий, включая использование энергопотенциала сжатого газа, электроразряда, магнитного поля. Высокая частота нагрузочных импульсов обеспечивает требуемую плотность и прочность изделий. Другими достоинствами способа являются снижение показателей упругой деформации, а также экономичность ввиду минимизации расходов на технологическое оборудование.

4. СПЕКАНИЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ

Финишная стадия технологическая метода ПМ – термическая обработка сформованных заготовок методом спекания с целью достижения требуемых свойств. Максимального эффекта при спекании заготовок из монометаллических порошков можно достичь при их нагревании до температуры, составляющей 72–92% Т° плавления металла. Заготовки из многокомпонентных твердых сплавов на металлокарбидной основе подвергают спеканию в температурном диапазоне, близком к Т° плавления связующего компонента. При этом, во избежание оксидации, те и другие заготовки рекомендуется помещать в защитную инертногазовую или восстановительную водородную/углеводородную газовую среду, либо в вакуумную камеру.

Спекание – одна из наиболее ответственных технологических процедур в рамках метода ПМ, в результате которой малопрочные заготовки преобразуются в исключительно прочные спеченные тела, приближающиеся по своим свойствам к аналогам, изготавливаемым методом горячего литья, а часто и превосходящими их по этой и целому ряду других функциональных характеристик. В ходе спекания из заготовки удаляются адсорбированные в них газы, возгоняются нежелательные примеси, снимаются остаточные напряжения в частицах и точках контакта между ними, устраняются оксидные пленки, происходит диффузионное преобразование поверхностного слоя, качественно преобразуется форма пор.

В завершение процесса может быть реализован ряд дополнительных отделочных операций, включая обработку резанием, калибрование, нитроцементацию, диффузионное хромирование, нанесение гальванического покрытия и пропитку готовых изделий с тем, чтобы добиться требуемой точности заданных габаритных параметров, повысить степень прочности и класс поверхностной чистоты.

Спекание осуществляют двумя способами: твердофазным (по мере нагрева заготовок не образуется жидкий расплав одного из компонентов), и жидкофазным (в ходе повышения Т° нагрева поликомпонентных заготовок наиболее легкоплавкий компонент начинает вступать в жидкое агрегатное состояние – плавиться. Весьма распространенным является также способ горячего формования, объединяющий в себе процессы прессования и спекания.

4.1. Способ твердофазного спекания

Твердофазное спекание применяют для изготовления промышленных продуктов на основе моно- или поликомпонентных систем, которые при нагревании могут вести себя по-разному в зависимости от генеза и химического состава соответствующих компонентов.

Этап твердофазного спекания сопровождается рядом сопутствующих процессов.

4.1.1. По мере повышения температуры нагрева энергетический потенциал и амплитудные колебания атомов в кристаллической решетке металлических порошковых тел заметно возрастают вплоть до непрерывной смены взаимного месторасположения, известной как диффузия. Которая, в свою очередь, может носить как поверхностный, так и общеобъемный характер (поверхностная диффузия и объемная диффузия).

4.1.2. Усадка в ходе твердофазного спекания проявляется в изменении как линейных, так и объемных параметров спекаемых тел (линейная и объемная усадка). Кинетический потенциал процесса усадки спекания возникает в результате того, что при нагреве система постоянно стремится избавиться от запаса поверхностной энергии.

4.1.3. Рекристаллизационный отжиг, сопровождаемый ростом величины зерен, проводится, в частности, при изготовлении магнитомягких материалов, которые должны иметь крупнозернистую структуру. В ходе ректристаллизации происходит значительное укрупнение зерен. Поэтому, во избежание ущерба для механических свойств получаемых изделий, режим отжига для обеспечения желаемой зернистости необходимо строго контролировать с использованием диаграмм рекристаллизации (рис. 22), показывающих зависимость размеров зерен от параметров температура/степень деформации.

Рисунок 22. Диаграмма рекристаллизации при отжиге.

4.1.4. Перенос атомов газовой средой имеет вид перехода поверхностного слоя вещества при определенных температурах в газообразное (парообразное) агрегатное состояние с его испарением с поверхности одних частиц и последующим конденсационным осаждением на поверхности других. За счет такого переноса происходит усиление межчастичных связей, что способствует требуемому изменению формы пор.

4.2. Жидкофазное спекание

4.3. Горячее формование

Когда формовка заготовки из многокомпонентной шихты проводится с ее нагревом до высоких температур, и Т° нагрева при этом достигает Т° плавления основного компонента, в это же время происходит спекание заготовки. Способ одновременного формования и спекания называют горячим формованием (горячим прессованием).

Важнейшие преимущества горячего формования состоят в скорейшем уплотнении получаемого данным способом готового изделия и минимизации его пористости при относительно невысоких показателях применяемого давления. Характер уплотнения при горячем формовании тот же, что и при спекании другими способами.

Готовую продукцию, полученную из подвергаемых горячему формованию заготовок, от аналогичных изделий, изготавливаемых при раздельном применении формовки и спекания выгодно отличает мелкозернистая структура, повышенный предел текучести и более высокая твердость, лучшие показатели электропроводимости и большая точность размеров.

Горячее формование осуществляют с использованием термостойких стальных, графитовых и кремниеграфитовых пресс-форм, характеризуемых высокой механической прочностью. В последние годы все более востребованными для этой цели становятся еще более функциональные пресс-формы из жаропрочных оксидных и силикатных материалов.

Пресс-формы с помещенной в них шихтой могут быть нагреты одним из способов, представленных на рис. 23:

Для горячего формования в современных условиях применяют многофункциональные автоматические агрегаты на основе гидравлических прессов и совмещенных с ними вакуумных камер с возможностью регулировки температурного режима (рис. 24).

Рисунок 24. Агрегат для горячего формования.

Основные узлы агрегата – это непосредственно гидропресс (1) и вакуум-камера (2), соединенная с обеспечивающим нагрев пресс-формы источником электропитания (3) посредством гибких медных токоподводов с жидкостным охлаждением (4). Включенный в состав агрегатного комплекса электрораспределительный шкаф позволяет обеспечивать функцию регулирования мощности и осуществлять управление всеми устройствами (5). Функционирование пресса осуществляется при помощи гидроагрегата (6).

Создание разреженной среды в вакуум-камере обеспечивает специальная система вакуумирования (7). Контроль параметров среды внутри камеры осуществляет система газоснабжения (8). Система жидкостного охлаждения (9) призвана остужать источник питания, стенки вакуум-камеры, гибкие токоподводы и медные башмаки.

Сам технологический процесс происходит в следующей операционной последовательности. Предварительно скомпактированные заготовки изделий из порошковой шихты помещаются в пресс-форму, заполняемую после этого создающим упруго-сжимаемую среду порошком из специального графита (рис. 25). Затем пресс-форма в сборе заключается в вакуум-камеру. В ходе горячего формования плунжеры агрегата воздействуют на пуансоны, передающие, в свою очередь, давление на заготовки через графитовый порошковый наполнитель.

Рисунок 25. Пресс-форма для горячего формования (а); схема распределения давления при прессовании (б).

Если внутри пресс-формы разместить межслойные промежуточные прокладки, произойдет увеличение производительности установки (рис. 26).

Рисунок 26. Пресс-форма для горячего формования, оснащенная промежуточной прокладкой.

4.4. Дополнительные операции

Применение дополнительных технологических операций практикуют как при необходимости обеспечить высшие классы точности и чистовой обработки поверхности готовых металлокерамических изделий (механическая обработка, калибровка), так и с целью оптимизации их химических свойств (химико-термическая обработка и различные пропитки).

4.4.1. При механической обработке (резанием, шлифованием, полированием и т.д.) возникают трудности, обусловленные пористой структурой обрабатываемого материала. Рабочие элементы инструмента (резцы, фрезы, абразивные диски) подвергаются разрушительному воздействию микроударов, вызывающих потребность в частой заточке или замене. Поэтому обработку осуществляют с применением твердосплавного инструмента и кругов из особо твердых абразивов, вплоть до корундовых и алмазных.

4.4.2. Калибрование выполняют путем продавливания спекаемых изделий сквозь имеющие необходимые сечения калибровочные отверстия в пресс-формах. Возможна калибровка как по одному, так и по ряду параметров. Благодаря калиброванию обеспечивается высокая гладкость поверхности, идеальная точность конфигурационных и размерных параметров, уменьшение пористости.

Пористая структура металлокерамики способствует активизации термохимических процессов.

4.4.4. Пропитка жидкими металлами. В отношении некоторых металлокерамических материалов применяется дополнительная операция в виде пропитывания спекаемой термостойкой каркасной основы жидким расплавом компонента с меньшей в сравнении с каркасом Т° плавления. При этом происходит заполнение образуемым расплавом сообщающихся пор термостойкого каркаса и, как результат, обретение готовым изделием улучшенных эксплуатационных характеристик.

Обилие различных методов порошковой металлургии свидетельствует о востребованности данного способа производства промышленных изделий. Неоспоримым плюсом является возможность получения готовой продукции сложной формы с высокими показателями различных свойств. К недостаткам описываемых технологий можно отнести значительную стоимость и сложность производства.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Источник