Композиционные материалы

 

3. Материалы порошковой металлургии

 

3.1. Производство порошковых изделий

 

Значительное место  в создании прогрессивных современных  материалов занимает порошковая металлургия. Отличительной чертой порошковой металлургии является совокупность приемов, позволяющих изготовлять полуфабрикаты и изделия из порошков металлов, сплавов и металлоподобных соединений или их смесей с неметаллическими порошками. Это прогрессивное производство, в котором сочетаются методы металлургии, материаловедения и металлообработки.

Сущность метода порошковой металлургии –

получение порошков исходных материалов и приготовление из них  порошковой шихты заданного химического  состава; формование (прессование) порошков в заготовки требуемой формы; термическая обработка (спекание) заготовок для придания им достаточной механической прочности и других свойств   

 

Основные преимущества порошковой металлургии перед друг ими технологическими процессами:

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

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

возможность получения  материалов максимальной чистоты;

простота технологии порошковой металлургии.

 

Особенность порошковой технологии

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

 

Основные технологические  операции порошковой металлургии:

Приготовление шихты  и дозировка.

Формование в стальных пресс-формах применяют для мелких деталей. Для изготовления крупных изделий из тугоплавких металлов (труб, стержней) применяют гидростатическое прессование. Для получения листов, полос и лент применяют прокатку.

Механическая доработка  применяется для небольшого круга  материалов, имеющих сравнительно высокую прочность после формования.    Спекание обеспечивает сцепление частиц порошка вследствие диффузии атомов.

Горячее прессование  заключается в одновременном  прессовании и спекании, что сокращает  время операции в 20…30 раз.     Калибрование       

 

Многие конструкционные изделия изготавливают из порошковых смесей на основе железного порошка с добавками фафита и легирующих элементов.

 

Преимущества прессования  в закрытых пресс-формах:

Возможность изготовления изделиясложной конфигурации         

 

Исходными материалами порошковой металлургии являются порошки чистых металлов, сплавов и порошки неметаллических материалов. Свойства металлических порошков:

В зависимости от их размеров порошки подразделяются на ультратонкие (размеры зерен до 0,5 мкм), весьма тонкие (0,5—10 мкм). тонкие (10—40 днем), средние (40—150 мкм) и грубые (150—500 мкм).

Основными технологическими свойствами металлических порошков являются: насыпной вес, текучесть и прессуемость.           

 

В связи с этим технология изготовления порошковых изделий и их свойства зависят от предыстории порошка (методы его получения). Методы получения порошков:

механические и  физико-химические    

 

Под механическими методами получения порошков понимают

такие технологические  процессы, при которых в результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в порошок без изменения его химического состава.

 

К механическим методам  получения порошков относятся.

измельчение металла  резанием, размол в шаровых мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках, а также распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом. 

 

Недостатком метода измельчения  металла путем резания является

при резании металлов частицы порошков получаются крупными, неравноосными. Такие порошки плохо прессуются, а спрессованные из них заготовки имеют малую прочность и большую склонность к образованию трещин

 

Под физико-химическими  методами получения порошков понимают

такие технологические  процессы, при которых вследствие глубоких физико-химических превращений металл или сплав переходит в порошкообразное состояние. При этом полученный порошок может отличаться по химическому составу от исходных продуктов.

 

К физико-химическим методам  получения порошков относятся

восстановление оксидов  твердыми восстановителями и газами, электролиз расплавленных сред или водных растворов, диссоциация карбонилов, метод испарения и конденсации и т. п.    

 

3.2. Характеристики и свойства железных  порошков

 

Металлические порошки  принято характеризовать химическими, физическими и технологическими свойствами.

Химический состав оценивают  содержанием 

содержанием основного  металла, примесей и газов 

 

Технологические свойства выражают через

через насыпную плотность, текучесть, плотность утряски, уплотняемость, прессуемость и формуемость.

 

Физическими свойствами порошков являются

формой частиц, размером и распределением их по крупности, удельной поверхностью, пикнометрической плотностью, микротвердостью  

 

Химические свойства порошков зависят от содержания основного металла или основных компонентов, входящих в состав комплексных порошков, з также от содержания примесей, различных механических загрязнений и газов.

 

Пирофорность – это

способность твёрдого материала в мелкораздробленном состоянии к самовоспламенению  на воздухе при отсутствии нагрева.

 

Она зависит от

от химической природы  металла, дисперсности и формы частиц, от состояния их поверхности (от оксидных защитных пленок на поверхности, развитости поверхности и т. п.).

 

Токсичность - это

ядовитость 

 

В зависимости от химической природы металла и способа получения частицы порошка могут иметь различную форму:

сферическую (карбонильные), каплеобразную и отчасти сферическую (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле на вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в шаровых и вибромельницах), волокнистую и ле-пестковивидную (полученные при плющении). 

 

Форма частиц оказывает  влияние на

насыпную плотность  и прессуемость, а также на плотность, прочность и однородность прессовок

 

Удельная поверхность  частиц порошка - это

суммарная поверхность  всех частиц порошка, взятого в единице  объема или массы.

 

Указанная характеристика является важной, так как

так как от нее зависит  содержание адсорбированных газов в порошке, стойкость к окислению и коррозии частиц, а также активность процессов при прессовании и особенно при спекании 

 

Пикнометрическая плотность  порошков - это

плотность частицы  порошка, учитывающая наличие в  частицах порошка примесей, закрытой пористости, дефектности кристаллической решетки и другие факторы 

 

Технологические свойства:

насыпная плотность, текучесть и прессуемость.

 

Насыпная плотность - это

называется масса  единицы объема порошка при свободной  насыпке. 

 

Она выражает способность порошка к укладке и зависит от

от плотности металла (сплава) и фактического заполнения порошком объема

 

Текучесть порошков - способность  порошка заполнять собой объем  определенной формы.

Она оказывает большое  влияние на

на прессуемость порошков и особенно на скорость уплотнения при автоматическом режиме прессования, определение текучести порошков строго регламентируется ГОСТом         

 

Прессуемость - способность  порошка под давлением сжимающих  усилий образовывать изделие заданной формы с минимальной допустимой плотностью.

Она зависит от

-размеров и форм частиц     

 

3.3. Порошковые изделия конструкционного  назначения

 

Наиболее широко в  машиностроении применяют порошковые спеченные материалы на основе железа или цветных металлов или их сплавов. В зависимости от условий работы детали подразделяют на неншруженные, малонагруженные, средненагружешше и сильнонагруженные.

У спеченных деталей  из порошков железа и стали значение физико-механических свойств ниже, чем у литых. Однако путем легирования  исходной шихты с применением предварительно легированных порошков можно получать изделия с уровнем физико-механических свойств не ниже, чем у литого металла.

Первейшим условием оптимального использования процесса порошковой металлургии является правильное проектирование получаемого изделия.

Три важнейшие функции  проектирования:

1) обеспечение физико-механических свойств изделия   

2) обеспечение экономичности и экологичности изделия  

3) обеспечение технологических свойств изделия