Технология изготовления порошковых сплавов.

Технологический процесс производства порошковых изделий и области их применения

Процесс изготовления деталей из порошковых материалов заключается в получении порошка исходного материала, составлении шихты, прессовании и спекании изделий. Каждая из указанных операций вносит свой существенный вклад в формирование конечных свойств порошковых изделий. На практике возможны отклонения от приведенной типовой технологической схемы получения порошковых материалов, которые могут выражаться в совмещении операций прессования и спекания (горячее прессование), спекании свободно насыпанного порошка (отсутствует операция уплотнения), проведении дополнительной обработки (калибрование, механическая и химико-термическая обработка) и др.

Методами порошковой металлургии получают:

твердые сплавы для изготовления режущего, бурового, волочильного инструмента, а также деталей, подвергающихся интенсивному изнашиванию;

высокопористые материалы для изготовления фильтров, используемых для очистки жидкостей от твердых включений, воздуха и газа, от пыли и т. д.;

антифрикционные материалы для производства подшипников скольжения, втулок, вкладышей и других деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации;

фрикционные материалы для получения деталей узлов трения, сцепления и тормозных систем машин;

жаропрочные и жаростойкие материалы для производства изделий, работающих в условиях высоких температур и в сильно агрессивных газовых средах;

материалы сложных составов (псевдосплавы) для изготовления электрических контактов, которые получить другими способами невозможно;

магнитные материалы для изготовления постоянных магнитов, магнитоэлектриков, ферритов и т. д.

2. Технология производства металлических порошков

Получение металлических порошков является важнейшей операцией технологического процесса изготовления деталей из порошковых материалов, от которой зависят их основные свойства.

В настоящее время существуют различные методы изготовления порошков, каждый из которых обеспечивает определенные их характеристики. При выборе способа получения порошка учитывают достигаемый уровень его свойств и стоимость.

Металлические порошки различаются как по размерам (от долей микрометра до долей миллиметра), так и по форме и состоянию поверхности частиц.

Все известные способы производства порошков условно разделяют на механические и физико-химические.

Механические методы получения порошков — дробление и размол, распыление, грануляция — характеризуются переработкой материалов в порошок практически без изменения их химического состава.

Физико-химические методы —восстановление, термическая диссоциация карбонильных соединений — отличаются тем, что получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.

Иногда с целью повышения экономичности процесса или улучшения характеристик материала применяют комбинированные методы получения порошков. Так, при распылении расплавленный металл сначала гранулируют, а затем отжигают в защитной среде водорода. При электролизе получают плотные, но хрупкие продукты, которые затем размалывают.

Наибольшее промышленное распространение получили методы изготовления порошков путем восстановления оксидов и других соединений металлов, распыления и др.

В США, Японии, Англии и Италии, являющихся крупными производителями и потребителями металлических порошков, около 55 % их производят методом восстановления, а остальную часть методом распыления.

Ежегодно в мире производится примерно 600...650 тыс. т металлических порошков.

Механические методы получения порошков основаны на измельчении частиц материала путем разрушения их под действием внешних нагрузок, преодолевающих внутренние силы сцепления в материале.

Механическое измельчение дроблением, размолом или истиранием целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов: бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов и др. Размол пластичных металлов затруднен, так как под действием внешних нагрузок они в основном деформируются, а не размельчаются.

Дробление металлов производят в щековых, валковых, конусных дробилках и бегунах. Продукты дробления— частицы размером 1...10 мм. Они являются исходным материалом для последующего измельчения в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Шаровая мельница (рис. 1) состоит из стального барабана 1, в который загружаются размалывающие шары (стальные, чугунные или изготовленные из твердых сплавов) и обрабатываемый материал 2. Коэффициент заполнения барабана шихтой и шарами составляет 0,4...0,5. При вращении барабана шары поднимаются в направлении этого вращения, а затем падают или скатываются вниз и дробят материал. Для облегчения размола его производят при низких температурах с введением поверхностно-активных веществ, создающих расклинивающие усилия в микротрещинах частиц. Частицы порошка, полученные размолом, имеют вид неправильных многогранников, листочков или завитков размером 0,1...3 мм.

Разновидностью шаровых мельниц является так называемое аттриторное устройство. Размалываемые тела загружают в емкость, внутри которой вращается мешалка. Лопасти мешалки обеспечивают циркуляцию размалываемых тел и истирание материала, а наличие рубашки охлаждения позволяет вести процесс непрерывно. В результате размола получают порошки с более равномерным распределением частиц по размерам, чем в обычных шаровых мельницах. Аттриторы весьма эффективны для приготовления ультратонкой порошковой смеси.

Вихревая мельница (рис. 2) состоит из кожуха 1, в котором с частотой 3000 об/мин вращаются в противоположных направлениях пропеллеры 2. Материал, загруженный в бункер, захватывается воздушными потоками и дробится при соударении частиц на более мелкие частицы. Процесс протекает более интенсивно, чем в шаровых мельницах. Получающиеся частицы порошка размером 50...200 мкм имеют тарельчатую форму.

Работа вибромельницы основана на воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров при совершении барабаном круговых колебаний высокой частоты. Процесс отличается большой производительностью и применяется для производстватонких порошков из малопластичных материалов (твердых сплавов, оксидов металлов и др.).

Недостатками механических методов получения порошков является загрязнение последних продуктами истирания шаров и барабана, их высокая стоимость и относительно низкая производительность процессов.

Получение порошка методом распыления связано с распылением расплавленной струи металла в среде воздуха, инертных газов или при ударах лопаток вращающегося диска. Распылением получают порошки алюминия, свинца, цинка, олова, никеля, латуни, чугуна, железа и др.

Метод грануляции состоит в том, что расплавленный металл льют в жидкость. Частицы порошка, полученного этим способом, имеют размер 0,05...0,35 мм и форму, близкую к сферической. Одним из физико-химических методов получения порошков является восстановление оксидов и других соединений металлов.

Под восстановлением в порошковой металлургии понимают процесс получения металлов из их химических соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода и других элементов) при помощи восстановителя.

Методом восстановления получают порошки кобальта, вольфрама, молибдена, титана, меди, железа и других металлов. В качестве восстановителей применяют газы (водород, конвертерный, доменный, коксовый и др.) или твердые вещества (углерод, магний). Получение металлических порошков восстановлением является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным из рассматриваемых методов. В нашей стране разработан метод совместного восстановления смесей оксидов с металлическими порошками гидридом кальция. Этим способом получают порошки высоколегированных сталей и сплавов, обладающие рядом уникальных и ценных для промышленности свойств.

Электролиз водных растворов и расплавленных сред заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или расплавленных солей при пропускании через них постоянного электрического тока. Этим способом получают порошки олова, серебра, меди, железа, а также порошки редких металлов (тантала, тория, ниобия, циркония и др.) с дендритной формой частиц. Порошки отличаются высокой чистотой и хорошей прес-суемостью вне зависимости от степени чистоты исходного сырья. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и низкой производительности процесса.

Методом диссоциации карбонильных соединений получают высококачественные дисперсные порошки железа, никеля, кобальта и других металлов со сферической формой частиц. Способ основан на способности металла при определенных условиях (высокое давление, повышенная температура) образовывать с оксидом углерода специфические химические соединения, называемые кар-бонилами: Fe(CO)5, Ni(CO)4 и др. Карбонилы неустойчивы при обычных условиях и легко разлагаются при нагревании до 200...300 °С с образованием тонкого порошка металла и оксида углерода. Недостатком процесса является чрезвычайно высокая стоимость получения порошка.

Метод гидрогенизации основан на свойстве металлов резко повышать свою абсорбционную активность при нагреве до высоких температур. Измельчаемый губчатый металл загружают в реактор, через который пропускают водород. При нагреве до определенной температуры (300...800 °С) происходит активное поглощение металлом водорода, в результате чего он становится хрупким и растрескивается. Порошок получают путем размола губки одним из механических способов и подвергают дегидрогенизации в вакууме при температуре около 800 °С. Данным методом получают порошки редких металлов: титана, урана, циркония и др. Недостаток способа — высокая хрупкость и низкая пластичность частиц порошков.