Порошковая металлургия

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.

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 порошков

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

Экономичность. В качестве сырья могут использоваться отходы металлургической промышленности. Примером назовем окалину, которая сегодня нигде не применяется. Кроме этого, могут применять и другие отходы.
Высокая точность геометрических форм. Изделия, получаемые при применении рассматриваемой технологии порошковой металлургии, обладают точными геометрическими формами, последующая механическая обработка не требуется. Этот момент определяет относительно небольшое количество отходов.
Высокая износостойкость поверхности. За счет мелкозернистой структуры получаемые изделия обладают повышенной твердостью и прочностью.
Невысокая сложность технологий порошковой металлургии.

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

Физико-механические методы заключаются в измельчении сырья, за счет чего размер частиц становится небольшим. Подобного рода процессы производства характеризуются комбинированием различной нагрузки, которая оказывает воздействие на сырье.
Химико-металлургические методы используются для изменения фазового состояния применяемого сырья. Примером подобного производства можно назвать восстановление солей и окислов, а также других соединений металлов.

Металлический порошок

Кроме этого, выделим следующие особенности производства порошка:

Шаровой способ предусматривает переработку металлических обрезков в шаровой мельнице. За счет тщательного дробления получается мелкозернистый порошок.
Вихревой способ заключается в применении специальной мельницы, которая создает сильный воздушный поток. Столкновение крупных частиц становится причиной получения мелкого порошка.
Применение дробилок. Нагрузка, которая создается при падении груза большой массы, приводит к измельчению материала. Ударная нагрузка воздействует с определенной периодичностью, за счет чего и происходит дробление состава.
Распыление сырья в жидком виде под воздействием сжатого воздуха. После получения хрупкого состава, металл пропускается через специальное оборудование, которое перемалывает его для получения порошка.
Электролиз – процесс восстановления металла из жидкого состава под воздействием электрического тока. За счет повышения показателя хрупкости сырье может быстро перемалываться в специальных дробилках. Данный метод обработки позволяет получить зерно дендритной формы.

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:

В качестве сырья при проведении рассматриваемого процесса применяется сыпучее вещество.
После прохождения компактирования сыпучий порошок становится компактным материалом с пористой структурой. Прочность получаемого изделия приобретается в ходе проведения других процессов обработки.

Принцип порошковой металлургии

Рассматривая процесс прессования порошка, отметим применение следующих технологий:

прокатывание;
шликерное литье;
изостатическое прессование за счет оказания давления газом или жидкостью;
прессование с одной или обеих сторон при применении специальных металлических матриц;
инжекционный метод.

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 повышения плотности изделия;
для придания определенных физико-механических качеств.

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:

Высокой прочностью. Плотная структура определяет повышенную прочность.
Долговечностью. Получаемые изделия могут прослужить в тяжелых условиях эксплуатации на протяжении длительного периода.
Износостойкостью. Если нужно получить поверхность, которая не истирается под механическим воздействием, то нужно рассмотреть технологию порошковой формовки.
Пластичностью. Можно также получить заготовки повышенной пластичности.

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:

низкая стоимость получаемых изделий;
возможность производства крупных деталей со сложными поверхностями;
высокие физико-механические качества.

Металлургический порошковый метод характеризуется и несколькими недостатками:

Получаемая структура обладает относительно невысокой прочностью.
Структура характеризуется меньшей плотностью.
Рассматриваемые технологии предусматривают применение специализированного оборудования.
При нарушении технологии производства детали имеют низкое качество.

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.

Изделия порошковой металлургии

В настоящее время интенсивно развивается порошковая металлургия. Процессы изготовления изделий порошковой металлургии легко автоматизировать и роботизировать высвободив при этом большое количество людей для выполнения других работ.

Для получения изделий из порошков не нужны специалисты высокой квалификации, технологические процессы не загрязняют окружающей среды.

Экономия металлов

Сейчас, когда запасы многих полезных ископаемых сокращаются, особенно остро стоит вопрос экономии металлов. Изготовление деталей обычными методами — литьем с последующей обработкой резанием нередко приводит к тому, что 50—80% металла уходит стружку.

Такое расточительство, безусловно, недопустимо. При изготовлении изделий заданной формы из порошков зачастую удается вообще избежать последующей механической обработки, а если она нужна, то очень незначительная — обычно это тонкое точение или шлифовка, при которых стружку идет 5—10% металла.

Сырье для получения металлических порошков

Исходным сырьем для получения металлических порошков могут быть использованы отходы металлургического производства, например, окалина, горы которой образуются при нагреве металлов под прокатку и ковку.

Порошки могут получать также прямым восстановлением руды, минуя стадию выплавки чугуна, что энергетически выгодно. Кстати, еще в 1899 году Д. И. Менделеев со свойственной ему прозорливостью писал:

Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун.

Слово «опять» он употребил потому, что получать железо прямо из руды умели еще в глубокой древности, но впоследствии были разработаны более производительные процессы, включающие выплавку чугуна и стали. Спираль технического прогресса продолжала раскручиваться, и хорошо забытое старое в новых условиях оказалось прогрессивнее того, что казалось незыблемым.

Сегодня пророческое предвидение Д. И. Менделеева сбывается: в промышленности все активнее применяются методы прямого восстановления железа из руды, и одним из продуктов этого процесса является железный порошок. Все это очень удобно и важно для современного производства и способствует развитию порошковой металлургии.

Создание композитных материалов

Кроме того методами порошковой металлургии можно создавать композитные материалы, которые очень нужны современной технике и которые невозможно изготовить никакими другими методами. В уникальности создаваемых материалов — главное преимущество порошковой металлургии перед традиционными металлургическими методами.

Если мерить привычными мерками, например, тоннами, то выпуск изделий из порошка невелик. Суммарная масса порошковых материалов, выпускаемых промышленностью, составляет доли процента от массы чугуна, стали, цветных металлов, получаемых обычными металлургическими методами. Но зато какие это материалы!

Имея порошки различных веществ, можно создавать огромное количество композитов. Именно композитов, а не сплавов, как при выплавке в металлургических печах.

Есть материалы, которые невозможно сплавить друг с другом титан с магнием, никель с серебром или свинцом, вольфрам с медью или серебром и др. Они не образуют между собой растворов, поэтому сплавов из этих материалов изговить нельзя. А вот композиты из порошков — можно. Для этого достаточно их просто смешать, спрессовать и спечь.

Можно подвергнуть горячему прессованию, экструзии, прокатке. Можно сначала спечь из более тугоплавкого металла пористый каркас и пропитать его более легкоплавким металлом. Композиты можно создавать очень интересные. Вот некоторые из них.

Композиционные материалы для подшипников скольжения

Из смеси порошков железа и графита изготавливают антифрикционные композиционные материалы для подшипников скольжения. Железо служит несущей основой подшипника, а графит, обладая низким коэффициентом трения, выполняет роль твердой смазки.

Если такой материал сделать пористым (а для порошковой металлургии это совсем просто), можно поры пропитать маслом, которое образует с графитом высококачественный смазочный препарат, и работа материала в подшипниках будет характеризоваться еще более низким коэффициентом трения и более высокой износостойкостью.

Дополнительно улучшить свойства железографитовых подшипников можно, введя в их состав добавки порошков меди. Материалы аналогичного назначения и строения могут быть созданы из порошков бронзы и графита (бронзографиты).

В качестве твердой смазки можно использовать не только графит, но и нитрид бора, дисульфид и диселенид молибдена и много других соединений. Их тоже добавляют к порошкам различных металлов и получают отличные материалы для узлов трения. Эти материалы не требуют дополнительной смазки, они сами себя смазывают. Их так и называют — самосмазывающиеся.

Понятно, что вместо железа и меди в качестве основы могут использоваться другие металлы — алюминий, никель, титан. А можно как основу применить и порошки тугоплавких соединений — боридов, карбидов, нитридов, смешав их с твердыми смазками — такие материалы будут работать при высоких температурах, в вакууме, в агрессивных средах.

Можно сочетать многие вещества, регулируя тем самым свойства антифрикционных композитов.

Литейными методами таких материалов не изготовить — они позволяют получать сплавы, а для работы этих материалов необходима именно структура композитов.

Чтобы твердые смазки могли выполнять свои функции, они не должны растворяться в основе. При литье этого растворения избежать нельзя. А используя порошковую технологию — можно.

Металлополимерные композиты

Металлополимерные композиты обладают свойствами исходных материалов. Прекрасный материал для подшипников скольжения — фторопласт, у него очень низкий коэффициент трения, но он не выдерживает больших нагрузок, поэтому в чистом виде применяется крайне редко.

Но если получить материал из смеси порошков фторопласта и металла, прочность такого материала резко возрастает.

Еще большей несущей способности можно достичь, если спеченный пористый металлический каркас (например, бронзовый) пропитать водной суспензией фторопласта.

Такие композиты будут обладать и высокой прочностью, и низким коэффициентом трения. Для изготовления изделий из таких материалов, порошковая металлургия незаменима.

Если от антифрикционных материалов требуется низкий коэффициент трения, то от фрикционных — высокий. Изделия из этих материалов используют в тормозных устройствах. И здесь современная техника не может обойтись без порошковой технологии. Ведь так же, как антифрикционные добавки, в состав порошковых смесей вводят вещества, повышающие коэффициент трения.

Спеченные фрикционные материалы обычно включают металлические и неметаллические порошки, при этом металлические составляющие придают композиту теплопроводность и прочность (бронза, латунь, медь, никель, железо), предохраняют от износа и улучшают прирабатываемость (свинец, олово, сурьма), а неметаллические повышают коэффициент трения (асбест, кварцевый песок, карбиды, оксиды и др.) и уменьшают склонность к заеданию (графит, сульфиды, нитрид бора, сернокислые соли бария и железа и др.).

Эти материалы являются примером сложных порошковых композитов, в которых, благодаря направленному подбору составляющих, удается получать свойства, недостижимые традиционными методами.

Твердые сплавы

А вот еще один пример изделий порошковой металлургии — твердые сплавы. Это представители керамико-металлических материалов (керметов). Их получают из порошков карбидов (вольфрама, титана, тантала, хрома) и металлов (кобальта, никеля, молибдена).

Такое сочетание обеспечивает изделию высокую твердость и износостойкость, присущие карбидам, а также вязкость и стойкость к термическим ударам, вносимые металлом, выполняющим роль связки между карбидными частицами. Это режущие инструменты, фильеры для волочения проволоки, пресс-формы и т. п. Ни один современный завод не может обойтись без инструментов из твердых сплавов.

В последние годы создаются керметы на основе боридов, оксидов и других тугоплавких соединений, которые используют в качестве теплостойких и окалиностойких материалов.

Например, для получения режущего инструмента порошок Аl2О3 смешивают с 2—10% порошка молибдена или хрома, смесь прессуют, спекают и получают композит, вязкость которого выше, а хрупкость меньше, чем у резцов из чистого оксида алюминия.

Ни один прибор, агрегат, аппарат, работающий на электрическом токе или передающий его, не может обойтись без таких изделий, как электрические контакты.

Изделия из электроконтактных материалов

В природе нет готовых материалов или сплавов, которые по своим свойствам могли бы полностью соответствовать требованиям, предъявляемым к изделиям из электроконтактных материалов.

Это высокая эрозионная стойкость при воздействии электрической дуги, низкое электросопротивление на поверхности и в объеме, высокая электропроводность, хорошая сопротивляемость к свариванию при замыкании и размыкании контактов, стойкость против коррозии в агрессивных средах и при повышенных температурах, высокая прочность и пластичность, хорошая обрабатываемость резанием и давлением и т. д.

Такие хорошие электро- и теплопроводники, как медь, серебро, золото, подвержены сильной эрозии при возникновении электрической дуги, склонны к привариванию. Тугоплавкие и жаропрочные металлы (вольфрам, молибден, тантал, никель) лишены этих недостатков, но у них малы электро- и теплопроводность, велико контактное сопротивление, что тоже не позволяет применять их в чистом виде.

А вот создавая композиции из порошков, можно получать материалы, которые удовлетворяют столь противоречивым требованиям. Это композиты медь — вольфрам, серебро — вольфрам, серебро — никель, железо — медь, серебро — оксид кадмия и другие, которые уже много лет используются для изготовления электроконтактов самого различного назначения.

Для изделий в электро- и радиотехнических устройствах таких, как сердечники катушек индуктивности и высокочастотных трансформаторов, ленты звукозаписи используются магнитодиэлектрики, представляющие собой сочетание ферромагнитных порошков с вяжущими веществами — изоляторами (например, порошки железа, ферритов или других ферромагнетиков в сочетании с жидким стеклом, бакелитом или другим полимером).

Порошковым композитом является ядерное горючее, состоящее из частиц расщепляющегося материала (урана, плутония, их сплавов или соединений), равномерно распределенных в объеме матрицы из алюминия, бериллия, магния, циркония, керамики и других, которая должна противостоять облучению и сохранять прочность необходимую для работы тепловыделяющих элементов атомных реакторов.

Порошковая металлургия, открывает широкие перспективы для изучения свойств порошках металлов, полимеров, тугоплавких соединений и получения из них изделий, с заданными характеристиками.