Технология изготовления порошковых сталей

Технология изготовления порошковых сталей

Порошковые стали используются для изготовления ножей уже более 30 лет. За эти годы цена на такие стали существенно снизилась, они стали более доступны и применимы в самых разных ножах, в том числе и не только премиального сегмента. В чем же отличие порошковой стали от «обычной» и каким образом она создается?

Порошковая сталь – это измельченная до состояния порошка сталь, которую распыляют в инертном газе, затем взвесь подают на специальный кристаллизатор, а затем полученные микрослитки прессуют при сверхвысоких температурах и спекают в специальной печи. В результате этих действий происходит так называемый порошковый передел — сталь получает большое количество карбидов, которые отвечают за рез ножа и при этом ее можно легировать дополнительными укрепляющими прочность элементами.

Структура любой закаленной стали состоит из двух важнейших элементов: карбидов и мартенсита.

Мартенсит — это основная структурная составляющая закалённой стали (матрица). Она представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного материала стали (аустенита). Структура мартенсита неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой.

Карбиды – это соединения металлов и неметаллов с углеродом. Особенностью карбидов является большая электроотрицательность углерода, по сравнению с другим элементом. Карбиды — тугоплавкие твёрдые вещества. Они нелетучие и не растворимы ни в одном из известных растворителей. Карбиды применяют в производстве чугунов и сталей, керамики, различных сплавов, как абразивные и шлифующие материалы, как восстановители, раскислители, катализаторы и др. Из карбида кремния SiC (карборунд) изготавливают шлифовальные круги и другие абразивы; карбид железа Fe3C (цементит) входит в состав чугунов и сталей, из карбида вольфрама и карбида хрома производят порошки, используемые при газотермическом напылении.

Большинство сталей, используемых для производства клинков, после термообработки имеют структуру: мартенсит + карбиды (+ остаточный аустенит + неметаллические включения и т.д.). Карбиды, более твёрдые и хрупкие, чем мартенситная матрица, увеличивают износостойкость стали, но ухудшают ее механические характеристики, негативно влияя прочность и вязкость. Степень снижения прочностных свойств зависит от количества карбидной фазы, её типа, размера карбидов и их скоплений и равномерности распределения карбидов в структуре.

Кроме того, выраженная карбидная неоднородность создаёт проблемы при шлифовании, увеличивает склонность к поводкам и трещинам. Стали с большим количеством крупных и неравномерно распределённых карбидов хуже поддаются горячей деформации. Такая сталь приобретает при термообработке неоднородную структуру, а сами результаты термообработки становятся менее предсказуемыми.

Следовательно, чтобы увеличить износостойкость стали и длительное удержание остроты, нужно увеличивать количество карбидной фазы, а чтобы сохранить приемлемые механические характеристики уменьшать и улучшать их распределение. Добиться этой цели можно несколькими методами. Среди них:

1. Оптимизация состава стали. К примеру, можно насытить сталь карбидами других типов, чаще всего большим количеством ванадия.

2. Микролегирование. Насыщение стали элементами, которые улучшают распределение карбидов и несколько уменьшают их размеры.

3. Высокоинтенсивная пластическая деформация. При увеличении степени деформации карбиды частично дробятся, и улучшается их распределение (особенно при использовании специальных приёмов деформации).

4. Увеличение скорости кристаллизации. Именно этот принцип лежит в основе технологии порошковой металлургии. Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения нужно уменьшить размеры слитка. При размере слитка порядка 150 мкм, скорость охлаждения достигает 104105 к/с, при таких скоростях и размерах эвтектика (жидкий раствор, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре для сплавов данной системы) получается очень тонкой, а размер карбидов не превышает 23 мкм. Для того, чтобы этого добиться нужно применить порошковый метод или метод порошкового передела.

Порошковый метод (порошковый передел).

Переде́л— одна из стадий получения или переработки металла в чёрной и цветной металлургии. К переделам относятся: плавка и разливка металла, обжатие, прокат, трубное и метизное производство. Сущность технологии метода порошковой металлургии 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.

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 и способность деформироваться, которая называется 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.

Основными методами изготовления порошков из сырья являются:

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. Физико-механическое измельчение производят способами: дробления и размола; распыления и грануляции. При дроблении и размоле твердого сырья изначальные размерные параметры частиц уменьшаются до заданных значений.

2. Химико-металлургический метод

Этот метод получения металлических порошков также можно реализовывать различными способами, среди которых наиболее востребованные:

  • Химическое восстановление металла из исходного сырья (восстановительный способ). Он применением различных химических веществ-восстановителей, которыми воздействуют на соли и оксиды металлов для отделения неметаллической фракции (солевого остатка, газов).
  • Электролиз — способ изготовления порошков состоит в осаждении частиц чистого металла на катоде под воздействием постоянного тока на соответствующий электролит в виде раствора либо расплава.
  • Термокарбонильная диссоциация (карбонильный способ). Порошки карбонильные изготавливают путем разложения в заданном температурном режиме карбонильных металлических соединений на исходные составляющие: частицы чистого металла и газообразный монооксид углерода СО, который удаляется.
  • Процесс изготовления порошковой стали включает в себя ряд этапов: предварительную подготовку порошковой смеси (шихты); формовку; спекание.
  • Предварительная подготовка порошковой смеси
  • П реобразование уже изготовленного металлического порошка в конечные изделия начинается с предварительной подготовки исходной смеси (шихты), которая в последующем будет подвергаться формованию и спеканию. Процесс подготовки исходной шихты является трехэтапным и последовательно осуществляется в виде: отжига, затем сортировки по фракциям (классификации) и непосредственно смешивания.

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.

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, а для классификации жидких смесей – способ центробежной дисперсной седиментации.

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

Смешивание – важнейшая из подготовительных операций, она производится путем приготовления 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. Смешивание, не сопровождающееся измельчением, выполняют в миксерах непрерывного действия барабанного, шнекового, лопастного, центробежного и других типов. По завершении процесса получаемая шихта тщательно высушивается и просеивается.

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. Деформация частиц при формовке по своему генезу может быть одновременно упругой, хрупкой и пластической. 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.

Последней стадией технологического метода порошковой металлургии является термическая обработка сформованных заготовок. Она осуществляется методом спекания. Спекание – одна из наиболее ответственных технологических процедур в рамках метода ПМ, в результате которой малопрочные заготовки преобразуются в исключительно прочные спеченные тела. В ходе спекания из заготовки удаляются адсорбированные в них газы, происходит возгонка нежелательных примесей, и снимаются остаточные напряжения в частицах и точках контакта между ними, устраняются оксидные пленки, происходит диффузионное преобразование поверхностного слоя, качественно преобразуется форма пор. Спекание осуществляют двумя способами: твердофазным (по мере нагрева заготовок не образуется жидкий расплав одного из компонентов), и жидкофазным. В результате спекания получается металлический брусок или пластина, которые и становиться основой для изготовления ножа.

Преимущества порошковых сталей

За счёт мелких размеров и равномерному распределению карбидов в порошковых сталях можно существенно увеличить степень легирования и объем карбидной фазы, и тем самым повысить стойкостные свойства стали. Достигаются лучшие механические характеристики, в частности порошковые стали гораздо лучше шлифуются и куются. При закалке стали получается более насыщенный твёрдый раствор, более мелкое и равномерное зерно, что способствует некоторому повышению твёрдости, теплостойкости, механических свойств и коррозионной стойкости. Порошковая технология позволяет достаточно легко получать высокоазотистые стали методами твердофазного азотирования. В целом порошковый передел практически не имеет недостатков, повышая все качества стали.

Источник:
http://tsprof.com/blog/articles/tekhnologiya-izgotovleniya-poroshkovykh-staley/

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:

  1. Экономичность. В качестве сырья могут использоваться отходы металлургической промышленности. Примером назовем окалину, которая сегодня нигде не применяется. Кроме этого, могут применять и другие отходы.
  2. 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.
  3. Высокая износостойкость поверхности. За счет мелкозернистой структуры получаемые изделия обладают повышенной твердостью и прочностью.
  4. Невысокая сложность технологий порошковой металлургии.
Читайте также  Технология изготовления жидкого камня

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

  1. 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.
  2. Химико-металлургические методы используются для изменения фазового состояния применяемого сырья. Примером подобного производства можно назвать восстановление солей и окислов, а также других соединений металлов.

Кроме этого, выделим следующие особенности производства порошка:

  1. Шаровой способ предусматривает переработку металлических обрезков в шаровой мельнице. За счет тщательного дробления получается мелкозернистый порошок.
  2. Вихревой способ заключается в применении специальной мельницы, которая создает сильный воздушный поток. Столкновение крупных частиц становится причиной получения мелкого порошка.
  3. 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.
  4. Распыление сырья в жидком виде под воздействием сжатого воздуха. После получения хрупкого состава, металл пропускается через специальное оборудование, которое перемалывает его для получения порошка.
  5. 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:

  1. В качестве сырья при проведении рассматриваемого процесса применяется сыпучее вещество.
  2. 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:

  1. прокатывание;
  2. шликерное литье;
  3. изостатическое прессование за счет оказания давления газом или жидкостью;
  4. прессование с одной или обеих сторон при применении специальных металлических матриц;
  5. 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.

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:

  1. для повышения плотности изделия;
  2. 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:

  1. Высокой прочностью. Плотная структура определяет повышенную прочность.
  2. Долговечностью. Получаемые изделия могут прослужить в тяжелых условиях эксплуатации на протяжении длительного периода.
  3. Износостойкостью. Если нужно получить поверхность, которая не истирается под механическим воздействием, то нужно рассмотреть технологию порошковой формовки.
  4. 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:

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

Металлургический порошковый метод характеризуется и несколькими недостатками:

  1. Получаемая структура обладает относительно невысокой прочностью.
  2. Структура характеризуется меньшей плотностью.
  3. Рассматриваемые технологии предусматривают применение специализированного оборудования.
  4. 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.

Источник:
http://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/poroshkovaya-metallurgiya.html

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия — научно-техническая отрасль, объединяющая в себе разноплановые методы производства порошков на основе металлов и их сплавов, соединений металлообразного типа, готовых продуктов и полуфабрикатов из них, а также миксов из них с порошками неметаллической природы без применения технологии плавления применительно к базовым компонентам.

Человечество издавна занимается производством разнообразных металлических порошков и крицы за счет восстановления металлооксидов при помощи углерода. К примеру, еще за три тысячи лет до Рождества Христова порошковое золото активно использовалось для декорирования всевозможных поверхностей. Мастера Древнего Египта и Вавилона задействовали некоторые приемы порошковой металлургии при изготовлении орудий из железа.

Начало современному периоду развития данной отрасли металлургии положил отечественный ученый Соболевский П.Г., который в сотрудничестве с Любарским В.В. в двадцатых годах девятнадцатого века разработал особый метод производства разнообразных изделий, используя платиновый порошок. После этого началось ускоренное развитие металлургии на основе порошков, поскольку она давала возможность создавать изделия с по-настоящему эксклюзивными свойствами, добиться которых иными способами было нельзя. Например, к этому числу можно отнести пористые подшипники или приспособления для фильтрации. Также стали появляться материалы, структура которых задается и материалы, в составе которых присутствуют металлы с оксидами, металлы с полимерами и т.д.

В порошковой металлургии весь объем выполняемых технологических операций можно разделить на следующие группы:

• получение базовых металлических порошков и их смешивание, в результате чего формируется шихта;
• спрессовывание порошков или сделанных из них смесей, формирование заготовок;
• спекание.

Применяемые в данной отрасли металлургии порошки включают в себя частицы, размер которых может колебаться в пределах от 1/100 до 500 мкм. Для их получения прибегают к механическим и физико-химическим методам. В первую категорию включают измельчение пребывающих в твердом состоянии металлов или металлоподобных соединений, а также диспергирование находящихся в жидком состоянии металлов и сплавов. Для дробления твердых материалов задействуют мельницы, оснащенные мелющими телами, вращающимися частями или функционирующими по ударному принципу. Характер исходного материала определяет форму получаемых путем дробления частиц: если он хрупкий, то частицы получаются осколочного вида, если пластичный – чешуйчатого. Пластическая деформация, которая характерна для раздробленных порошков, приводит к переформатированию присущих им свойств и структурному видоизменению.

Распыление (называемое также диспергированием) металлов и сплавов жидкой консистенции производят посредством струи жидкости или газа с применением форсунок различных форм. На свойства распыленных порошковидных веществ оказывает воздействие целый ряд факторов, включая поверхностное натяжение расплавленной массы, скорости, с которой осуществляется распыление, нюансов геометрии форсунок и прочего.

Распыление с применением воды нередко реализуется в азотной или аргонной среде. Таким способом происходит получение железных, чугунных, стальных, никелевых и иных порошков. Если расплавленная масса распыляется за счет находящегося под значительным давлением газа, то частицы конечного продукта будут иметь различный размер в зависимости от показателей давления, поперечного сечения исходящей струи металла, нюансов строения форсунки, природных свойств сплава.

В роли газа для распыления может выступать как просто воздух, так и азот или аргон, а также водяной пар. Существуют и другие методы для распыления металла, в частности, плазменный, а также способ разбрызгивания металлической струи в воду. Задействуются данные способы в первую очередь при изготовлении бронзовых, латунных, серебряных, оловянных и алюминиевых порошков.

В разряд методов физико-химической природы, задействуемых при получении металлических порошков, входит восстановление металлооксидов посредством воздействия на них углерода, водорода или газов с содержанием углеводородов. Существуют также металлотермические методы: восстановление оксидов, галогенидов и иных металлических соединений за счет воздействия на них другими металлами; расщепление карбонилов металлов и соединений металлоорганической природы; электролиз солевых расплавов и растворов на воде. Для получения порошков металлоподобных соединений, помимо вышеуказанных методов, прибегают к их синтезу из простых веществ.

Данная операция необходима для получения полуфабрикатов в виде прутков, труб, лент или отдельных заготовок, форма которых приближена к финальным изделиям. После прохождения через процедуру компактирования, сыпучий порошок преобразуется в компактный материал пористой структуры, прочность которого позволяет ему сохранять приданную форму в ходе дальнейших операций.

Базовыми методами спрессовывания являются:

• прессование с одной или двух сторон в специальных металлических матрицах;
• изостатическое прессование за счет давления газа или жидкости;
• прессование мундштучного типа;
• прокатка;
• шликерное литье;
• прессование с высокой скоростью, включая взрывное;
• инжекционное формирование.

Возможен вариант осуществления компактирования как при комнатной температуре, так и в условиях высокотемпературной среды.

При прессовании порошок уплотняется за счет того, что его частицы смещаются по отношению друг к другу и впоследствии деформируются либо разрушаются. Применение достаточно большого давления при работе с порошками пластичных металлов позволяет добиваться уплотнения главным образом за счет пластической деформации, а при работе с хрупкими металлами и их соединениями – за счет разрушения и дробления частиц. Более высокой прочностью отличаются порошки, получаемые их пластичных металлов, а для придания необходимых прочностных характеристик порошкам из хрупких металлов дополнительно используют специальные связующие жидкие компоненты.

В массовом производстве наиболее востребовано прессование порошков в жестких матрицах (прессформах) из металла, для чего используются таблетировочные, ротационные и иные пресс-автоматы с механическим или гидравлическим принципом действия.

Компактирование прокаткой подразумевает формирование заготовок в непрерывном режиме в прокатных станах, оснащенных валками. В валки порошок ссыпается сам либо подается принудительным способом. Прокатка позволяет получать листы, профили и ленты пористой структуры.

Читайте также  Гравер (бормашина)

Технология изостатического прессования предполагает помещение порошка или пористых заготовок в специальную оболочку с последующим ее вакуумированием, после чего материал сжимается со всех сторон. В завершение производят декомпрессию оболочки. Изостатическое прессование, в зависимости от типа используемой рабочей среды, подразделяется на гидро- и газостатическое. Первый вариант в большинстве случаев осуществляется в условиях комнатной температуры, тогда как для второго необходимы высокие температуры. За счет изостатического прессования удается получать изделия, отличающиеся сложной формой, и имеющие предельно однородную плотность по всему объему.

Мундштучное прессование получило свое название в связи с тем, что при данном способе порошок, смешанный с пластификатором, продавливается сквозь отверстие в мундштуке. Причем в данном случае в качестве основы, вполне могут использоваться сложнопрессуемые порошки, произведенные из хрупких металлов. Результатом подобной обработки становится получение длинных заготовок, имеющих однородный состав и равномерную плотность.

Шликерное литье – метод порошковой металлургии, подразумевающий изготовление изделий из так называемых шликеров – однородных концентрированных порошковых суспензий, которым присуща высокая агрегативная и седиментационная устойчивость, хорошая текучесть.

Различают следующие виды шликерного литья:

• литье в формы пористой структуры, при котором частицы порошка увлекаются жидкостью в поры, где затем и оседают;
• горячее литье, предполагающее нагревание смеси из порошка с твердым связующим веществом до температуры, при которой данное вещество приобретает вязкую консистенцию. В таком состоянии данная смесь заливается в формы, после чего охлаждается до затвердевания;
• формирование электрофоретическим методом, при котором происходит формирование изделия за счет постепенного наращивания слоя из шликерных частиц, которые изменяют свое местоположение под влиянием электрического поля, смещаясь к форме-электроду и там осаждаясь.

Суть высокоскоростного прессования заключается в деформации порошка с высокой скоростью. Может быть взрывным, магнитно-импульсным, гидродинамическим и т.д.

Финальной операцией изготовления изделий методом порошковой металлургии является спекание. Оно подразумевает термическую обработку заготовок в условиях, когда температура не достигает значения, необходимого для плавления, по крайней мере, одного из компонентов.

Данная процедура необходима для того, чтобы повысить плотность изделия и придать ему определенные механические и физико-химические свойства. Вначале спекания частицы проскальзывают друг по отношению к другу, между ними формируются контакты, центры частиц сближаются. В этот момент частицы еще обладают индивидуальностью, но плотность увеличивается максимально быстро. После этого тело одновременно пребывает в фазе вещества и фазе пустоты, а заканчивается все уплотнением за счет минимизации количества и размеров пор.

Для спекания в большинстве случаев используют защитную среду, представленную обычно инертными газами, восстановительную, в роли которой выступает водород или углеводородсодержащие газы, либо вакуум. Нагреваются изделия в электрических или индукционных печах либо за счет прямого пропускания тока.

Существует возможность совмещения в одном процессе спекания с прессованием: спекание, осуществляемое под давлением, горячее прессование.

Материалы и изделия

Технологии, задействуемые в порошковой металлургии, обеспечивают возможность изготовления специфических материалов, причисляемых к категории порошковых. Их классификация производится в зависимости от присущих им свойств, качеств и характеристик.

Материалы порошкового типа из разряда конструкционных служат для производства всевозможных деталей для приборов и машин с разноплановыми механизмами. Они обладают повышенной механической прочностью, и они достаточно экономичны.
Использование порошковых материалов для выпуска фильтров обусловлено тем фактом, что их можно наделить улучшенными по сравнению с иными пористыми материалами свойствами. В частности, для них характерна высокая очистительная способность при сохранении достаточной проницаемости, устойчивость к воздействию высоких температур, превосходная прочность, отличная теплопроводность, малоподверженность износу по абразивному типу.

Благодаря методам, которые задействуются в порошковой металлургии, могут быть получены фильтровальные изделия, имеющие изменяемую или регулируемую пористость, уровень проницаемости, а также степень очищения. Фильтры вместе с подшипниками пористой структуры входят в перечень основных видов пористых изделий, производимых из порошкообразных материалов.

Триботехнические материалы бывают антифрикционными и фрикционными. Первые характеризуются наличием твердой матрицы, внутри которой находится мягкотелый наполнитель. Методы порошковой металлургии обеспечивают возможность получения антифрикционных изделий, имеющих низкий и стабильный коэффициент трения, отличающихся качественной прирабатываемостью, незначительно изнашивающихся, сопротивляющихся схватыванию. Такие изделия относятся к категории самосмазывающихся, поскольку смазка помещается в их поры.

Антифрикционные материалы пригодны для производства разноплановых объемных элементов, го также отлично справляются с функцией покрытий, нанесенных на подложки. Одним из наиболее ярких примеров продуктов, изготовленных из материалов данного класса, являются подшипники скольжения.

Фрикционные материалы порошкового типа находят применение в узлах, служащих для передачи кинетической энергии. Для данных материалов характерна высокая износоустойчивость, отличные прочностные характеристики, они хорошо проводят тепло и их несложно приработать. Как правило, в состав подобных материалов включаются компоненты металлической и неметаллической природы. Первые придают готовым изделиям высокую теплопроводность и прирабатываемость, тогда как вторые необходимы для повышения коэффициента трения и минимизации вероятности заедания.

Твердосплавные порошковые изделия имеют в своем составе тугоплавкие карбиды, соединенные с пластичными связующими металлической природы. Они изготавливаются за счет прессования порошковых смесей и жидкофазного запекания. Твердосплавные материалы, характеризующиеся высокими прочностными свойствами, отличающиеся твердостью и слабой изнашиваемостью, могут быть вольфрамосодержащими и безвольфрамовыми. Эти сплавы служат основой для производства инструментов, применяемых при резке металла, штамповке, воздействия давлением, бурения горных пород.

Для улучшения свойства таких инструментов нередко дополнительно на их поверхность наносят покрытии из тугоплавких соединений.

Категория электротехнических материалов порошкового типа подразделяется на несколько групп: контактные, электропроводящие, магнитные и прочие. Контактные материалы позволяют создавать такие контакты, которые способны переносить до нескольких миллионов замыканий и размыканий электроцепей. Также существуют варианты контактов скользящего типа, которые задействуются при изготовлении электродвигателей, генераторов, потенциометров, токосъемников и прочих устройств.

В основе высокотемпературных материалов, получаемых методами порошковой металлургии, лежат сплавы из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, циркония и прочих). Данные сплавы активно применяются в авиационном строительстве, радиотехнике, электронике и других наукоемких отраслях.

Находят применение порошковидные материалы и в атомной энергетической сфере, где они задействуются для изготовления поглотителей с замедлителями, а также стержней для регулировки и твэлов (тепловыделяющих элементов).

Источник:
http://metallplace.ru/about/stati-o-chernoy-metalurgii/poroshkovaya-metallurgiya/

Изготовление изделий из порошковых материалов

Процесс изготовления изделий из порошковых композиционных материалов (ПКМ) включает операции изготовления порошков, формования, спекания и окончательной обработки с целью улучшения физико-механических свойств, получения окончательных размеров и формы, нанесения декоративных и защитных покрытий.

Изготовление порошков. Все методы изготовления порошков подразделяют па два способа: физико-механический и химико- металлургический.

Физико-механический способ предполагает превращение исходного материала в порошок за счет механического измельчения материала в твердом или жидком состоянии без изменения его химического состава. К физико-механическим способам относятся дробление, размол, истирание, распыление, грануляция, обработка резанием.

Дробление, размол, истирание наиболее целесообразно применять к хрупким материалам, металлам и их сплавам (кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием). Для грубого размельчения (размер частиц — 1—10 мм) используют дробилки (валковые, конусные, бегунки), для тонкого измельчения — шаровые вращающиеся, вибрационные, планетарные и другие мельницы.

Распыление и грануляция применяются для изготовления порошков металлов температурой плавления до 1600°С (алюминий, железо, сталь, цинк, медь, свинец, никель и их сплавы). Сущность измельчения состоит в дроблении струи расплава (рис. б.б) высокоэнергонасыщенным газом.

В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка применяют распыление воздухом, азотом, аргоном, гелием. Размеры частиц порошка — от 0,01 до 1 мм, форма частиц сферическая или каплевидная.

Химика-металлургический способ предусматривает изменение химического состава или агрегатного состояния исходного материала. К химико-металлургическим способам относятся восстановление оксидов, электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений.

Химико-металлургический метод (восстановление металлов из оксидов или солей) основан на реакции восстановления. В общем виде ее можно записать как

где Me — металл; А — неметаллическая составляющая (кислород, хлор, фтор, солевой остаток); X — восстановитель; Q — тепловой эффект реакции.

Восстановителем может быть вещество, которое при выбранной температуре имеет большее химическое сродство к неметаллической составляющей, чем металл. В качестве восстановителя используются водород, оксид углерода, аммиак, природный газ, кокс и т.д.

Сырьем для восстановления медных, никелевых и кобальтовых порошков служат оксид меди (Cu20; СиО), оксид никеля (II) (NiO), оксид кобальта (Со23; Со34). Восстановление проводят в муфельных печах водородом, диссоциированным аммиаком, природным газом. Температура восстановления: для меди — 400—500°С; для никеля — 700—750°С; для кобальта — 520—570°С. После восстановления получают губку, которая хорошо растирается в порошок.

Сырьем для восстановления вольфрама служат продукт разложения вольфрамовой кислоты H2W04 — вольфрамовый ангидрид или паравольфрамат аммония 5Na2012W03 llII20. Восстановление проводят в электропечах водородом (850—900°С) или углеродом (1350—1550°С). Аналогично получают порошки молибдена, титана, циркония, ниобия, стали.

Целью формования является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделия. Формование включает в себя отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и собственно формование.

Отжиг необходим для повышения пластичности и прессуемо- сти порошка, за счет восстановления остаточных оксидов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной (инертной, восстановительной) атмосфере или в вакууме при температуре 0,4 — 0,6ГПЛпл — температура плавления).

Классификация — сортировка но размеру осуществляется в ситах (крупные порошки, размером до 50 мкм) или методами воздушной сепарации (более мелкие порошки).

Перед смешением в металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения:

  • • пластификаторы (парафин, стеарин и др.), облегчающие процесс прессования;
  • • легкоплавкие металлы, улучшающие процесс спекания;
  • • летучие вещества для получения деталей заданной пористостью.

Подготовленные порошки смешивают в различных устройствах (шаровые мельницы, вращающиеся барабаны и т.д.) и затем проводят их формование.

Формование заготовок из IIКМ производится методами прессования, изостатического формования, прокаткой или выдавливанием.

Холодное прессование — (рис. 6.7, а) порошок 1 засыпается в пресс-форму 2 и прессуется пуансоном 3. Под действием давления происходит уплотнение порошка и деформация отдельных частиц.

Рис. 6.7. Схемы холодного прессования:

Читайте также  Сверло по бетону для дрели (победитовое, алмазное): какое лучше и почему

а — одностороннего, одним пуансоном; 6 — одностороннего, набором пуансонов; в — двустороннего; г — кривая процесса упрочнения;

1 — порошок; 2 — пресс-форма; 3 — пуансон; Л, Б. В — участки кривой

Прочность получаемого брикета зависит от приложенного давления, которое распределяется неравномерно но высоте брикета из-за возникающих сил трения между стенками пресс-формы и порошком. После одностороннего холодного прессования прочность и пористость по высоте брикета различаются, поэтому одностороннее холодное прессование применяют для заготовок простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы. Заготовки более сложной формы прессуют набором пуансонов (рис. 6.7, б). Для получения заготовок сложной формы применяют двустороннее прессование (рис. 6.7, в), при этом для получения равномерных показателей плотности и прочности давление снижают па 30—40%.

Кривая упрочнения частиц порошка (рис. 6.7, г) имеет три характерных участка:

  • 1) на участке Л идет наиболее интенсивное нарастание плотности при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты;
  • 2) на участке Б возрастание давления практически нс влияет на плотность;
  • 3) на участке В но достижении предела текучести при сжатии порошкового тела начинается деформация частиц.

При горячем прессовании (с нагревом до 0,6 — 0,8Гпл) процессы формообразования и спекания заготовки протекают одновременно. Нагрев приводит к интенсификации процессов уплотнения, что позволяет уменьшать давление прессования и получать компактные заготовки с высокими показателями механических свойств и однородностью структуры.

Недостаток горячего прессования — малая стойкость пресс- форм, которые выдерживают 10—12 прессований и, соответственно, низкая производительность процесса.

При изостатическом (всестороннем) прессовании отсутствуют потери на внешнее трение, а равномерность всестороннего давления позволяет получать требуемую плотность заготовки при давлениях меньших, чем при прессован ии в закрытых пресс-формах.

В промышленности освоены три основных вида изостатиче- ского формования: гидростатическое, формование с помощью эластичной оболочки и горячее формование.

При гидростатическом формовании (рис. 6.8) на порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, передается давление с помощью жидкости (вода, масло, глицерин), находящейся в сосуде высокого давления 1.

При формовании брикетов с помощью эластичной оболочки, вставленной в стальную пресс-форму, давление передается через оболочку, которая одновременно изолирует порошок от стенок пресс-формы. Этот способ применяют в основном для получения крупногабаритных заготовок тина труб.

Рис. 6.8. Схема гидростатического формования:

1 — сосуд высокого давления; 2 — эластичная оболочка; 3 — порошок

При горячем формовании порошок помещают в эластичную металлическую оболочку, которая нагревается и подвергается давлению. При этом совмещаются процессы формования и спекания.

Прокатка — наиболее производительный способ получения изделий из ПКМ, характеризующийся высокой степенью автоматизации и непрерывностью процесса, позволяющий получать однослойные (рис. 6.9, а) и многослойные (рис. 6.9, б) ленты или полосы, прутки различного профиля и проволоку.

Рис. 6.9. Схема прокатки порошков:

а — для изготовления однослойных полуфабрикатов; б — для изготовления двухслойных полуфабрикатов; 1 — бункер; 2 — порошок; 3 — валки; 4 — лента или полоса; 5 — перегородка

В бункер 1 непрерывно поступает порошок 2, который, попадая в зазор между вращающимися валками 3, вытягивается в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс формования может быть совмещен со спеканием при прохождении ленты через печь и последующим обжатием для получения необходимых размеров.

Выдавливание применяют для изготовления труб и профилей различного сечения путем выдавливания порошка через калиброванное отверстие. Перед выдавливанием в порошок добавляют пластификатор (10—12% от массы порошка) для улучшения процесса соединения частиц и уменьшения трения между порошком и стенками пресс-формы.

Для повышения прочности прессованных заготовок проводят спекание при температурах ниже температуры плавления основного порошка композиции. При спекании происходит усиление контакта между отдельными частицами порошка за счет восстановления поверхностных оксидов, диффузии и рекристаллизации. В процессе спекания происходит усадка, и в ряде случаев можно получить заготовки с минимальной пористостью и высоким комплексом физико-механических свойств. Как правило, спекание проводят в электропечах сопротивления или в индукционных печах в восстановительной атмосфере или в вакууме.

Для повышения физико-механических свойств спеченных заготовок часто применяют повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами (для антифрикционных деталей), отжиг, закалку, а также химико-термическую обработку.

Спеченные материалы можно подвергать всем видам обработки давлением (ковка, прокатка, штамповка), что позволяет повысить пластичность материалов за счет уменьшения пористости.

Источник:
http://studme.org/284316/tehnika/izgotovlenie_izdeliy_poroshkovyh_materialov

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:

  1. Экономичность. В качестве сырья могут использоваться отходы металлургической промышленности. Примером назовем окалину, которая сегодня нигде не применяется. Кроме этого, могут применять и другие отходы.
  2. 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.
  3. Высокая износостойкость поверхности. За счет мелкозернистой структуры получаемые изделия обладают повышенной твердостью и прочностью.
  4. Невысокая сложность технологий порошковой металлургии.

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

  1. 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.
  2. Химико-металлургические методы используются для изменения фазового состояния применяемого сырья. Примером подобного производства можно назвать восстановление солей и окислов, а также других соединений металлов.

Кроме этого, выделим следующие особенности производства порошка:

  1. Шаровой способ предусматривает переработку металлических обрезков в шаровой мельнице. За счет тщательного дробления получается мелкозернистый порошок.
  2. Вихревой способ заключается в применении специальной мельницы, которая создает сильный воздушный поток. Столкновение крупных частиц становится причиной получения мелкого порошка.
  3. 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.
  4. Распыление сырья в жидком виде под воздействием сжатого воздуха. После получения хрупкого состава, металл пропускается через специальное оборудование, которое перемалывает его для получения порошка.
  5. 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:

  1. В качестве сырья при проведении рассматриваемого процесса применяется сыпучее вещество.
  2. 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:

  1. прокатывание;
  2. шликерное литье;
  3. изостатическое прессование за счет оказания давления газом или жидкостью;
  4. прессование с одной или обеих сторон при применении специальных металлических матриц;
  5. 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.

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:

  1. для повышения плотности изделия;
  2. 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:

  1. Высокой прочностью. Плотная структура определяет повышенную прочность.
  2. Долговечностью. Получаемые изделия могут прослужить в тяжелых условиях эксплуатации на протяжении длительного периода.
  3. Износостойкостью. Если нужно получить поверхность, которая не истирается под механическим воздействием, то нужно рассмотреть технологию порошковой формовки.
  4. 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:

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

Металлургический порошковый метод характеризуется и несколькими недостатками:

  1. Получаемая структура обладает относительно невысокой прочностью.
  2. Структура характеризуется меньшей плотностью.
  3. Рассматриваемые технологии предусматривают применение специализированного оборудования.
  4. 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.

Источник:
http://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/poroshkovaya-metallurgiya.html