Изделия порошковой металлургии и их свойства

Содержание.

Введение…………………………………………………………………..….......3

1.Производство металлических  порошков и их свойства…………….……….4

2. Изделия порошковой  металлургии и их свойства

2.1 Металлокерамические подшипники……………………...…..………......12

2.2Пористые материалы и возможности их применения в

промышленности………………………………………………………………..14

Заключение…………………………………..………………………………….16

Список использованной литературы……………………………………….…17

Введение.

Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных  соединений, полуфабрикатов и изделий  из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного  компонента.

Позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально  новые материалы.

Основные преимущества использования  порошковой металлургии:

- снижает затраты на  дальнейшую механическую обработку,  которая может быть исключена  или существенно уменьшена. Получает  готовое изделие точное по  форме и размерам. Обеспечивает  высокое качество поверхности  изделия. 

- использует энерго и ресурсосберегающие технологии. Уменьшает количество операций в технологической цепи изготовления продукта. Использует более чем 97% стартового сырья. Реализует многие последующие сборочные этапы ещё на стадии спекания.

- позволяет получать изделия с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и не металлические компоненты. Изделия различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью; Подшипники скольжения с эффектом самосмазывания.

- получает более высокие  экономические, технические и  эксплуатационные характеристики  изделий по сравнению с традиционными  технологиями.

- упрощает зачастую изготовление  изделий сложной формы.

- обеспечивает прецизионное  производство. Соответствие размеров  в серии изделий.

1. Производство  металлических порошков и их  свойства.

В настоящее время используют большое количество методов производства металлических порошков, что позволяет  варьировать их свойства, определяет качество и экономические показатели.

Условно различают два  способа изготовления металлических  порошков:

1) физико-механический;   2) химико-металлургический.

При физико-механическом способе  изготовления порошков превращение  исходного материала в порошок  происходит путём механического  измельчения в твердом или  жидком состоянии без изменения  химического состава исходного  материала. К физико-механическим способам относят дробление и размол, распыление, грануляцию и обработку резанием измельчаемого материала.

При химико-металлургическом способе изменяется химический состав или агрегатное состояние исходного  материала. Основными методами при  химико-металлургическом производстве порошков являются: восстановление окислов, электролиз металлов, термическая диссоциация  карбонильных соединений.

Измельчение твердых материалов - уменьшение начальных размеров частиц путем разрушения  их под действием  внешних усилий. Различают измельчение  дроблением, размолом или истиранием.

Свойство металлических  порошков характеризуются химическими, физическими и технологическими свойствами. Химические свойства металлического порошка зависят от химического  состава, который зависит от метода получения порошка и химического  состава исходных материалов. Содержание основного металла в порошках составляет 98...99%. Допустимое количестве примесей в порошке определяется допустимым их количеством в готовой  продукции. Исключение сделано для  окислов железа, меди, никеля, вольфрама и некоторых других, которые при нагреве в присутствии восстановления легко образуют активные атомы металла, улучшающие  спекаемость порошков. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислород, водород, азот и др.), как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления  или при последующей обработке. Газовые пленки на поверхности частиц порошка образуются самопроизвольно из-за ненасыщенности полей силовых в поверхностных слоях. С уменьшением частиц порошка увеличивается адсорбция газов этими частицами.

При восстановлении химических соединений часть газов - восстановителей  и газообразных продуктов реакции  не успевает выйти наружу и находится  либо в растворенном состоянии, либо в виде пузырей. Большое количество газов увеличивает хрупкость  порошков и затрудняет прессование. Интенсивное выделение газов  из спрессованной  заготовки при  спекании может привести к растрескиванию изделий. Поэтому перед прессованием или в его процессе применяют  вакуумирование порошка, обеспечивающее удаление значительного количества газов.

Классификация порошков - это  процесс разделения порошков по величине частиц. Порошки с различной величиной  частиц используют для составления  смеси, содержащей требуемый процент  каждого размера. Классификация  частиц размером более 40 мкм производят в проволочных ситах. Если свободный  просев затруднен, то применяют протирочные  сита. Более мелкие порошки классифицируют на воздушных сепараторах.

Приготовление смесей. В  производстве для изготовления изделий  используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков есть одна из важных операций и задачей ее является обеспечение  однородности смеси, так как от этого  зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют механическое смешивание компонентов в шаровых  мельницах и смесителях. Соотношение  шихты и шаров по массе 1:1. Смешивание сопровождается измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия.

Равномерное и быстрое  распределение частиц порошков в  объеме  смеси достигается при  близкой по абсолютной величине плотности  смешиваемых компонентов. При  большой  разнице  абсолютной величины  плотностей  наступает  расслоение компонентов. Смешивание всегда лучше происходит в  жидкой  среде,  что не всегда экономически целесообразно из-за усложнения технологического процесса.

При приготовлении  шихты  некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама,  карбидов металлов) для повышения  формуемости  в смесь добавляют пластификаторы - вещества смачивающие поверхность частиц.  Пластификаторы должны удовлетворять   требованиям:   обладать  высокой смачивающей возможностью, выгорать при нагреве без остатка,  легко растворяться в органических растворителях. Раствор пластификатора обычно заливают в перемешиваемый порошок,  затем смесь сушат для удаления растворителя. Высушенную смесь просеивают через сито.

Дозирование - это процесс  отделения  определенных объемов  смеси  порошка. Различают  объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное дозирование  используют  при  автоматизированном формовании  изделий.  Дозирование по массе  наиболее точный способ,  этот способ обеспечивает одинаковую плотность  формования заготовок.

Для формования изделий из  порошков  применяют  следующие  способы:  прессование  в  стальной  пресс-форме,  изостатическое прессование,  прокатку порошков, мундштучное прессование, шликерное формование, динамическое прессование.

Прессование в стальной пресс-форме

При прессовании, происходящем в закрытом объеме (рис.6) возникает  сцепление частиц и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смещения  и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и заклинивания  -  механического сцепления частиц.  У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков  малой площади под действием огромных напряжений,  а затем распространяется вглубь частиц.

Рис.6 Схема прессования  в прес-                 Рис. 7 Кривая идеального процесса

сформе (1 – матрица, 2 – пуансон,                         уплотнения.

3 – нижний пуансон, 4 –  порошек)

и схема распределения  давления по высоте.

У хрупких материалов деформация проявляется в разрушении выступов частиц. Кривая процесса уплотнения частиц порошка (рис.7) имеет три характерных участка. Наиболее интенсивно плотность нарастает на участке A при относительно свободном перемещении частиц, занимающих пустоты. После этого заполнения пустот  возникает горизонтальный участок B кривой, связанный с возрастанием давления и практически неизменяющейся плотностью т.е. неизменным объемом порошка. При достижении предела текучести при сжатии порошкового тела  начинается  деформация частиц и третья стадия процесса уплотнения (участок С! ‘ ). При перемещении частиц порошка в прессформе возникает давление  порожка на стенки. Это давление меньше давления со стороны сжимающего порошок пуансона (рис.6) из-за трения между частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами.  Величина давления на боковые стенки зависит от трения между частицами, частицами и стенкой прессформы и равна 25...40% вертикального давления пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальная величина давления получается неодинаковой: у пуансона наибольшей,  а у нижней части – наименьшей (рис.6).  По этой причине невозможно получить по высоте отпрессованной заготовки равномерную плотность. Неравномерность плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше минимального поперечного сечения.

При выталкивании изделия  из прессформы из-за упругого увеличения ее поперечных размеров, размеры изделия несколько превышают размеры поперечного сечения матрицы. Величина изменения размеров зависит от величины зерен и материала порошка, формы и состояния поверхности частиц, содержания окислов, механических свойств материала, давления прессования, смазки, материала матрицы и пуансона и других параметров. В направлении действия прессующего усилия изменения размеров больше, чем в поперечном направлении.

Прессование сложных изделий, т.е. изделий с неодинаковыми размерами  в направлении прессования, связано  с трудностями обеспечения равномерной  плотности спрессованного изделия в различных сечениях. Эту задачу решают путем применения нескольких пуансонов.

При прессовании кроме  стальных прессформ - основного инструмента производства  используют гидравлические универсальные или механические прессы.  Для прессования сложных изделий используют специальные многоплунжерные прессовые установки.

Изостатическое прессование - это прессование в эластичной оболочке  под  действием всестороннего  сжатия. Если сжимающее усилие создается жидкостью прессование называют гидростатическим. При гидростатическом прессовании порошок засыпают в резиновую оболочку и затем помещают ее после вакуумирования и герметизации в сосуд, в котором поднимают давление до требуемой величины.

 Мундштучное прессование  - это формование заготовок из  смеси порошка  с пластификатором  путем продавливания ее через  отверстие в матрице. В качестве  пластификатора применяют парафин,  крахмал, поливиниловый спирт,  бакелит. Этим методом получают  трубы, прутки, уголки и другие  изделия большой длины

Шликерное формование - представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму с последующей сушкой.  Шликер в этом случае - это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Взвесь порошка однородна и устойчива в течение длительного времени.  Форму для ликерного литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка. Формирование изделия после заливки формы взвесью порошка заключается в направленном осаждении твердых частиц на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси  (порошка в жидкости). 

Динамическое прессование - это процесс прессования с  использованием импульсных нагрузок. Процесс имеет  ряд  преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Источником энергии являются:  взрыв заряда взрывчатого вещества,  энергия электрического разряда в жидкости,  импульсное магнитное поле,  сжатый газ,  вибрация.  В зависимости от источника энергии прессование называют   взрывным,  электрогидравлическим,  электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным.

Спекание.

Спеканием называют процесс  развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Плотность, прочность и другие физико-механические  свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания н других факторов.

В зависимости от состава  шихты различают твердофазное  спекание  (т.е. спекание без образования  жидкой фазы) и жидкофазное, при котором  легкоплавкие компоненты смеси порошков  расплавляются.

Твердофазное спекание. При  твердофазном спекании протекают следующие  основные процессы:  поверхностная  и объемная диффузия атомов, усадка, рекристаллизация, перенос атомов через  газовую среду.

Сокращение суммарного объема пор возможно только при объемной диффузии.  При  этом происходит  изменение геометрических размеров изделия - усадка.

Усадка при спекании может  проявляться в изменении размеров и объема  и поэтому различают линейную и объемную усадку. При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки  или  в увеличении объема. Рекристаллизация при спекании  приводит к росту  зерен и уменьшению суммарной  поверхности частиц, что энергетически  выгодно. Однако рост зерен ограничен  тормозящим влиянием посторонних включении  на поверхностях зерен:  порами, пленками, примесями. Различают рекристаллизацию внутризеренную и межчастичную.

Влияние некоторых  технологических  параметров на свойства спеченных тел. Свойства исходных порошков - величина частиц, их форма,  состояние поверхности, тип окислов и степень совершенства кристаллического строения - определяют скорость изменения плотности и  свойства спрессованных  изделий.  При одинаковой плотности спеченных  изделий механические и электрические  свойства  тем выше,  чем меньше были частицы порошка,  шероховатость  поверхности частиц и дефекты  кристаллического строения способствуют усилению диффузии, увеличению плотности  и прочности изделия.  Структура  изделии спеченных из токоизмельченных  порошков отличается наличием большого числа крупных зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации при спекании.  Увеличение давления  прессования приводит к уменьшению усадки (объемной и линейной),  повышению всех показателей прочности -  сопротивлению разрыву и сжатию, твердости. С повышением температуры плотность и прочность спеченных изделий в общем возрастает  тем быстрее, чем ниже было давление прессования. Выдержка при постоянной температуре вызывает  сначала резкий,  а затем более медленный рост  плотности,  прочности и других свойств спеченного изделия. Наибольшая прочность достигается за сравнительно  короткое  время  и  затем почти не увеличивается.  Плотность изделий выше при спекании  в  восстановительной, чем при спекании в нейтральной среде. Очень полно и быстро проходит спекание в вакууме,  которое по сравнения со спеканием в нейтральной среде обычно начинается при более низких температурах и дает повышенную плотность изделия.

Интенсификация процесса спекания достигается специальными приемами.  Для этого используют химические и физические способы  активирования спекания.  Химическое активирование заключается в  изменении состава атмосферы  спекания. Так например добавка в атмосферу спекания хлористых или фтористых соединений способствует  активному соединению с ними выступов частичек, а образующиеся соединения  снова восстанавливаются до  металла, атомы которого конденсируются в местах с минимальным запасом свободной энергии. В настоящее время широко применяют физические способы активирования спекания:  циклическое изменение температуры,  воздействие вибраций или ультразвука,  облучение прессовок, наложение сильного магнитного поля.

Жидкофазное спекание.  При  жидкофазном спекании в случае смачивания жидкой фазой твердой фазы увеличивается  сцепление твердых частичек, а  при плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит процесс спекания, препятствуя уплотнению. Смачивающая жидкая фаза приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы. При жидкофазном спекании можно получить практически беспористые изделия. Различают спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса спекания,  и спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе.

2.Изделия порошковой  металлургии и их свойства:

2.1 Металлокерамические подшипники:

Металлокерамические материалы  являются в ряде случаев эффективными заменителями антифрикционных подшипниковых сплавов - бронзы, латуни и др.В подшипниках скольжения находят применение следующие металлокерамические материалы: бронзографит, пористое железо и пористый железографит.

Одно из основных преимуществ  металлокерамических вкладышей  заключается в наличии в них  пор, способствующих образованию устойчивой масляной пленки в подшипнике. В  результате предварительной пропитки вкладыша (втулки) в нагретом масле  большое количество капилляров вкладыша заполняется маслом и благодаря  этому трущаяся поверхность обеспечивается смазочной пленкой в течение  длительного времени.

Различные режимы работы требуют  применения металлокерамических подшипников  с различной степенью пористости. Для тяжелых условий работы (ударные  нагрузки, высокие скорости), при  которых нужна повышенная механическая прочность опоры, следует применять  подшипники из мелких порошков (обладающие более высокими механическими и  антифрикционными качествами, чем подшипники из крупных порошков) с низкой пористостью. Для средних нагрузок рекомендуется  пористость 22 - 28%. Для работы без  дополнительной смазки желательно применение подшипников из крупных порошков пористостью 25 - 35%. Чем больше пластичность и чем меньше пористость спеченного порошкового металла, тем больше он приближается по свойствам к компактному  металлу.

Для подшипников пористостью 15 - 20% допускаемые удельные нагрузки могут быть повышены против указанных  на 20 - 30%. При работе металлокерамических  подшипников со скоростью v< 1 м/сек применяется консистентная смазка, при больших скоростях – жидкие минеральные масла. Подводить масло рекомендуется через такие же смазочные канавки, как у подшипников из литых металлов.

Для тонкостенных втулок с  повышенной пористостью применяется  также подпитка подшипника через  наружную стенку.

Пористые железографитовые подшипники изготавливают преимущественно  в виде цилиндрических втулок и поставляют в готовом к установке виде. При назначении толщины стенки исходят  из условий прочности и способности  материала впитывать масло.

2.2 Пористые материалы  и возможности их применения  в промышленности.

К группе пористых относятся  антифрикционные, фрикционные материалы, фильтры и так называемые "потеющие" материалы.

Бронзовые фильтры обычно изготавливаются из порошков со сферической  формой частиц, полученных путем распыления жидкого металла. Бронзовые фильтры  находят широкое применение в  промышленности для очистки жидкого  горючего в дизелях и реактивных двигателях, смазочных материалов и  сжатых газов от твердых примесей размерами 5 – 200мкм, а также для  очистки разбавленных кислот и щелочей, расплавленного парафина и т.д.

Пористые материалы, изготавливаемые  из порошков электролитического и карбонильного  никеля методом прессования и  последующего спекания при температуре 1000 – 1100 С, предназначены для работы в качестве фильтров и пористых электродов. Последние находят широкое применение в электрохимии и катализе. Так, щелочные аккумуляторы, электроды которых представляют собой высокопористые никелевые пластины, по сравнению с обычными аккумуляторами имеют меньший вес и габариты. Большое применение находят фильтры из нержавеющей стали, которые обладают более высокой коррозионной стойкостью и значительно дешевле чистого никеля. Применение пористых материалов для борьбы с обледенением самолетов позволяет снизить на 50% расход антифриза.  Использование пористого титана в различных отраслях техники обусловлено рядом его ценных свойств, главным из которых является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и высокая удельная прочность. Титановые пористые материалы получают из порошков с размером частиц менее 60 мкм. С наполнителем, а также из электролитического порошка с размером частиц до 1 мм без наполнителя.

Пористое охлаждение - один из эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и  механизмов. Испарительное охлаждение предусматривает принудительное пропускание  жидкости через пористую среду. В  этом случае тепло, выделяющееся на поверхности  пористого тела, поглощается и  рассеивается испарительным охлаждающим  устройством.. Детали из пористого металла могут использоваться для создания условия локального нагрева и одновременно они могут быть использованы для охлаждения локального перегрева механизмов.

Весьма перспективно применение в промышленности тепловых труб, обеспечивающих выравнивание температурного поля в  различных аппаратах и установках и изотермические условия обработки  тех или иных материалов. Так, использование  низкотемпературных тепловых труб в  электрических машинах для охлаждения роторов и статоров двигателей, генераторов, а также обмоток трансформаторов  позволило увеличить их мощность на 30 – 50%. Успешно используются тепловые трубы для охлаждения высоковольтных выключателей большой мощности. Тепловые трубы и паровые камеры имеют  ряд преимуществ по сравнению  с традиционными элементами передачи тепла.

Заключение.

Применение порошковой металлургии, ее развитие имеет важное значение для всего мира. Передовые страны мира такие как США и Япония ежегодно инвестируют и расширяют эту отрасль промышленности.

Не последнее место  занимает порошковая металлургия и  в нашей стране. Неоспоримым доказательством  полезности использования порошковых является то, что в период кризиса эти предприятия не только выживают, но и расширяют производство.

С увеличением масштабов  выпуска и совершенствованием методов  изготовления порошков решатся такие  проблемы порошковой металлургии как: дороговизна исходных материалов. При  массовом производстве расходы связанные с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений (пресс-форм) для каждого вида деталей сократятся до минимума. С исследованием и использованием на производстве получения чистых порошков распылением расплавленного железа решены такие проблемы как необходимость получения достаточно чистых исходных материалов.