Порошковая металлургия

Порошковая металлургия - отрасль науки и техники, охватывающая производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками. Важными отличительными чертами данной отрасли является получение веществ в порошкообразном состоянии и операции нагрева (спекания) заготовок из порошков при температуре ниже точки плавления соответствующего металла или, в случае смеси разнородных порошков, ниже температуры плавления наименее тугоплавкого компонента основы. Итак, последовательное осуществление в едином цикле операций получения порошка и превращение его в изделие составляет суть порошковой металлургии.

Среди имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет не только делать изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые другими путем крайне трудно или вообще невозможно. Порошковая металлургия успешно конкурирует с литьем, обработкой давлением, резанием и другими методами, дополняя или заменяя их.


1. История

Соболевский Петр Григорьевич

Заслуга выделения специфических приемов обработки металлов и объединения их в особый технологический метод - порошковую металлургию - принадлежит русскому ученому Петру Григорьевичу Соболевскому (1782-1841), которому в работе помогал химик Василий Васильевич Любарский (1795-1854). В 1826-1827 году была разработана технология изготовления изделий из платинового порошка (монеты, тигли и др.)., Промышленный выпуск которых опередил работу англичанина Волластана, предложивший в 1828 году аналогичный способ получения компактной платины. Первым металлом порошковой металлургии стала платина, поскольку в то время из-за высокой температуры плавления нельзя было применить традиционное для обработки драгоценных металлов литья.

Развитие техники сделал возможным достижение высоких температур, что привело к освоению производства платиновых изделий литьем, в связи с чем до середины XX века о порошковую металлургию снова забыли и вспомнили лишь через 50 лет, когда бурное развитие электротехники потребовал материалов (таких как проволока из тугоплавких металлов, медно-графитовые щетки и т.п. ), которые нельзя было изготовить обычными, известными в то время методами. Затем появились разнообразные изделия из порошков: самосмазывающихся вальници, твердые сплавы для обработки высокопрочных новых материалов, магнитные материалы. Сейчас трудно назвать область современной техники, где бы не применялись методы порошковой металлургии для изготовления изделий или сами порошковые изделия.

Освоение технологии различных порошков дало толчок развитию работ в области производства из них материалов и изделий конструкционного назначения. Кроме технологических разработок были проведены большие исследования в области создания научных основ порошкового металловедения и порошковой металлургии в целом.


2. Схема производства

Типовая технологическая схема производства заготовок и изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции:

  1. получения порошка исходного материала;
  2. формирование заготовки из него;
  3. спекания;
  4. окончательную обработку (регулирования структуры, калибровки, механическую и химико-термическую обработки).

Каждая из указанных операций вносит свой важный вклад в формирование всех свойств конечных порошковых изделий. Возможные отклонения от приведенной типовой технологической схемы могут выражаться в сочетании операций формирования и спекания при горячем прессовании, в спекании свободно насыпанного порошка (при отсутствии формируемой заготовки из порошка), в отсутствии какой-либо обработки после спекания и др..

Совокупность основных технологических операций позволяет решать с помощью порошковой металлургии две важнейших задачи:

  • изготовления материалов и изделий с особыми составами, структурами и свойствами, которые недостижимы другими методами производства; примером могут служить порошковые материалы и пористые изделия (антифрикционные, фрикционные изделия, фильтры и др.)., высокотемпературные тугоплавкие металлы, дисперснозмицненни, волокнистые материалы и др.)., инструментальные (твердые сплавы, сверхтвердые материалы и др..) и др..;
  • удешевления изготовления материалов и изделий с обычными составами, структурами и свойствами.

2.1. Классификация методов получения порошков

Производство порошка - первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Способы получения порошков весьма разнообразны, что позволяет широко варьировать свойства. Это, в свою очередь, делает придания изделиям из порошка необходимых физических, механических и других специальных свойств. Кроме того, метод изготовления порошка значительной мере определяет его качество и себестоимость.

Способы получения порошков делятся на механические и физико-химические.

Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без заметного изменения его химического состава. Чаще всего используют измельчения твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с физико-химическими превращениями исходного сырья (напр. механическое легирование). В результате получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.


2.1.1. Механические методы получения порошков

Основными механическими методам получения порошков являются:

  • Измельчения и размола твердых материалов. Измельчения стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, к. п. д. которых сравнительно невелик. Получают порошки железа, меди, марганца, латуни, бронзы, хрома, алюминия, сталей.
  • Диспергирования расплава. Струя расплавленного металла диспергированных механическим способом (воздействием центробежных сил и др.). Или действуя на него потоком энергоносителя (газа или жидкости). Получают порошки алюминия, свинца, цинка, бронзы, латуни, железа, чугуна, стали.
  • Грануляция расплава. Порошок образуется при сливе расплавленного металла в жидкость (например, в воду). Получают большие порошки железа, меди, свинца, олова, цинка.
  • Обработка твердых (компактных) металлов резанием. При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой режим резания, что обеспечивает образование частиц, а не стружки. Получают порошки стали, латуни, бронзы, магния.

Механическое измельчение компактных металлов широко распространено в порошковой металлургии. Измельчения может быть дроблением, размолом, стиранием. Целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как Si, Be, Cr, Mn, сплавы Al с Mg и др.. Размалывания вязких пластичных металлов ( Zn, Al, Cu) затруднен, так как они в основном открываются, а не разрушаются.

При измельчении комбинируют раздавливание и удар (при получении крупных частиц) и истиранию и удар (при тонком измельчении). При дроблении затрачиваемая энергия расходуется на упругую и пластическую деформацию, на теплоту и на образование новых поверхностей. При дроблении под действием внешних сил в наиболее слабых местах тела образуются трещины, которые начинаются с поверхности. Разрушение наблюдается тогда, когда трещины пересекают твердое тело по всему его пересечении в одном или нескольких направлениях. В момент разрушения напряжения в теле, деформируемый превышают некоторое пороговое значение (предел прочности материала).

Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее распространение получили обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок, измельчения металла в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, ультразвуковое диспергирование.


2.2. Формования изделий из порошков

Формирование - это процесс получения заготовки (изделия) заданной формы и размеров в результате уплотнения порошка. Перед формированием порошок подвергают термообработке (отжига) с целью повышения пластичности и улучшение его способности к прессования или прокатки. Наиболее распространенным способом формирования готовых изделий является холодное и горячее прессование, вальцовки и шликерной литья.

  • Прессования. Изделия прессуют в пресс-формах. Усилия прикладывают с одной или с двух или более сторон.
    • Одностороннее прессования применяют для изготовления изделий простой формы (втулки, кольца и др.). Под действием пуансона порошок уплотняется, деформируется, и частицы разрушаются.
    • В процессе двустороннего прессования два пуансоны движутся навстречу друг другу. Этим способом прессования изготавливают изделия, в которых отношение высоты к диаметру превышает 2. Вследствие встречного движения двух пуансонов увеличивается равномерность распределения плотности частиц порошка по высоте. Для достижения одинаковой средней плотности порошка прикладывают усилия, на 30-40% меньше, чем в ходе одностороннего прессования. Для получения изделий сложной формы используют машины с несколькими пуансонами.
    • Мундштукове прессования применяют в случае получения изделий, длина которых значительно превышает их диаметр (стержни, трубы и т.д.). Эти изделия изготавливают из порошков, которые трудно прессуются (порошки бериллия, вольфрама и т.д.). Процесс получения изделий заключается в том, что порошок, находящийся в полости контейнера, выжимается пуансоном через отверстие мундштука матрицы. Профиль полученного изделия определяется формой отверстия мундштука и может быть как простым, так и достаточно сложным. Чтобы повысить плотность материала конечного изделия, используют вибрацию, которая до порошка передается через контейнер или пуансон. С помощью вибрации можно уменьшить в несколько раз усилия на пуансоне.
    • Горячее прессование характеризуется сочетанием двух процессов: прессования и спекания изделий. В процессе нагрева порошка до высоких температур (вплоть до температуры спекания) повышается его пластичность, поэтому давление в ходе прессования значительно ниже. Горячим прессованием можно получить изделия из порошков, которые трудно сформировать. Это порошки жаропрочных материалов, твердых сплавов и чистых тугоплавких металлов ( вольфрам, молибден).
  • Вальцовка является другим экономически выгодным способом изготовления изделий. Заготовки изготавливают непрерывным формированием, а затем спекают. Этим способом получают ленты и стержни. Вальцовки можно проводить в вертикальном и горизонтальном направлениях. В процессе вальцовки в вертикальном и горизонтальном направлениях порошок из бункера непрерывно поступает в отверстие между валиками. В ходе вращения валков порошок сжимается и вытягивается в ленту или лист определенной толщины. Применяя бункер с одной или несколькими перегородками, можно получить двух-или многослойные изделия (ленты, листы) из разных по составу материалов. Вальцовкой получают листы толщиной 0,025-3 мм и шириной до 300 мм и стержни различного профиля.
  • Шликерного литья применяют для изготовления изделий сложной формы (например, лопасти турбин) с хрупких и твердых порошков ( карбидов, силицидов, нитридов и др.). Шликером называют суспензию порошка и жидкости, которую заливают в гипсовую или керамическую форму. Жидкость с шликера выходит через щели в форме, а в середине нее образуется изделие. Подсушенный изделие извлекают из формы, для чего форму разрушают. После окончательного высушивания изделие опекают.

2.3. Спекания изделий

Изделия, полученные из порошков, имеют малую прочность. Чтобы придать им большей прочности и твердости, их спекают. Спеканием называют отжига изделий при температуре, которая составляет 0,7-0,8 температуры плавления основной составляющей шихты. Время спекания составляет 1-2 часа. Во время спекания в изделиях происходят сложные физико-химические процессы ( восстановление оксидов, диффузия, рекристаллизация, снятия остаточных напряжений), улучшаются механические свойства и т.п..

Спекания - процесс достаточно длительный, требует больших затрат энергии. Чтобы сократить время спекания, используют ультразвук, магнитное поле и т.п.. К химических факторов, которые ускоряют процесс спекания, принадлежат окислительно-восстановительные реакции. Важную роль играет состав атмосферы, в которой проводят спекания. Атмосфера может быть защитной или восстановительной. В промышленности используют атмосферы водорода, диссоциированной аммиака. Эффективным является также вакуум. Однако использование вакуума повышает себестоимость изделий. Поэтому в вакууме спекают только изделия из порошков титана, тантала, ниобия, бериллия.

Спекания проводят в печах различного типа, которые работают периодически и непрерывно. Печи периодического действия используют в ходе спекания небольших партий порошковых изделий. В процессе массового производства изделий используют методические печи непрерывного действия (конвейерные, с подвижным подом т.п.).


2.4. Окончательная обработка изделий

В случае необходимости порошковые изделия подвергают еще дополнительной обработке. Окончательная обработка состоит из следующих операций: калибровки, резки, термической и химико-термической обработки, повторного спекания т.д.. В процессе калибровки уточняют размеры изделий, уплотняют и полируют их поверхности и т.д.. Резания ( точения, сверления, фрезерования и т.д.) применяют тогда, когда прессованием нельзя изготовить изделия нужной формы и размеров, для нарезания внутренней и внешней резьбы, получения узких, но глубоких отверстий и т.п.. В процессе резки пользуются инструментами, изготовленными из сверхтвердых сплавов или алмазов. Термическую и химико-термическую обработку изделий проводят так же, как для металлов и сплавов. Повторное прессования проводят тогда, когда во время первого прессования нельзя получить изделие сложной формы.


3. Особенности применения в Украине

В Украину методы порошковой металлургии нашли применение в таких производствах:

  • металлообработке на замену технологий обработки резанием с достижением значительного снижения (в 3-5 раз) показателей затрат металлов, себестоимости изделий и повышения в 1,5-2 раза производительности труда;
  • материалов на основе железного порошка на замену литье цветных металлов;
  • инструментальных высокостойких, высокопрочных материалов;
  • фрикционных материалов для систем торможения авиационного, железнодорожного, автомобильного транспорта, машин и механизмов различного назначения;
  • антифрикционных материалов для подшипников различного назначения;
  • высокопористых материалов для фильтров очистки жидкостей;
  • жаропрочных, жаростойких и устойчивых к агрессивным средам материалов;
  • магнитных материалов (для постоянных магнитов, ферритов, магнето-электриков и др..).

Украина имеет для развития отрасли значительные запасы железных и марганцевых руд, коксующихся углей, флюсовых и огнеупорных материалов, их месторождения очень удачно сочетаются - преимущественно в Приднепровье и Донбассе.

Вообще по объему производства продукции черной металлургии Украины длительное время входила в число ведущих стран Европы и мира. Так, в 80-х гг XX в. здесь ежегодно добывалось 120-125 млн т железной руды, 7 млн т марганцевой руды, выплавлялось 55 млн т стали. Сейчас аналогичные показатели значительно скромнее - примерно 55 млн т железной руды, менее 3 млн т марганцевой руды, 32 млн т стали (по состоянию на 2000 год). В последние годы постоянно увеличивается производство проката, ферросплавов, стальных труб. Эти товары в значительных объемах экспортируются за пределы Украины, в целом продукция черной металлургии дает стране больше валютных поступлений от экспорта.

Но в Украине пока слабо развиваются недоменни способы производства черных металлов, которые являются экологически чистыми, а именно электрометаллургия и порошковая металлургия. Что является отрицательной чертой, ведь широкое применение технологий порошковой металлургии в условиях массового производства будет способствовать повышению эффективности народного хозяйства.


4. Перспективы развития порошковой металлургии

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более термостойкие, лучше переносят действие 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, невозможность 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 преимущества нельзя рассматривать как факторы постоянного действия: 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 дуговой, электронно-лучевой, плазменной сварки и электроимпульсной нагрева позволили получать недостижимые ранее температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве несколько снизилась. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, как, например, сложность 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 сжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористые заготовок больших размеров.


См.. также

Источники

  • Либенсон Г. А. Основы порошковой металлургии. Металлургия. М., 1975.
  • Жалибо Е. П., Анопко Д. В. и др.. Основы технологий производства в отраслях народного хозяйства: Учебное пособие. К.: Кондор, 2005.