ГОУ ВПО

«СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ханты-Мансийского  автономного округа - Югры»

Контрольная работа

По  предмету: Технологические дисциплины

Тема: «Порошковые металлические материалы»

Выполнил: студент 1 курса,гр.93-06

Факультета  Педагогического образования

Фамилия:  Махмудова

Имя:  Гульнара

Отчество: Гусейн кызы

Проверил: Доцент, К.П.Н

Фамилия: Насырова

Имя: Эльмира 

Отчество: Фанилевна

                                                 Сургут 2011

                                Содержание

                                                          Введение

      Порошковая  металлургия занимается изготовлением  металлических порошков и разнообразных изделий из них. Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода материалов является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуются (формуются) в изделия заданных размеров и подвергаются термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты /1/.

      Порошковая  технология – это широкая область  получения дисперсных тел, применяемых в разнообразных отраслях производства – порошковой металлургии, керамической промышленности, получении пищевых и лекарственных продуктов, удобрений, топлива, строительных материалов и др. /2/. Вследствие некоторого внешнего сходства технологии порошковой металлургии с технологией керамического производства, изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, широко известны также под названием металлокерамических.

      Основными элементами технологии порошковой металлургии  являются следующие:

• получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные другие химические соединения;
• прессование из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах, т.е. формование будущего изделия;
• термическая обработка или спекание спрессованных изделий, придающее им окончательные физико-механические и другие
• специальные свойства.

      В производственной или исследовательской  практике иногда встречаются отклонения от этих типичных элементов технологии, например совмещение операций прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленными металлами, дополнительная механическая и другая обработка спеченных изделий и пр. Однако основной принцип технологии – применение исходной порошковой шихты и спекание ниже температуры плавления основного элемента, образующего спрессованное тело – остается неизменным /1/.

      Метод порошковой металлургии обладает рядом  преимуществ:

• возможность изготовления материалов, содержащих наряду с металлическими составляющими и неметаллические, а также материалов и изделий, состоящих из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов;
• возможность получения пористых материалов с контролируемой пористостью, чего нельзя достигнуть плавлением и литьем.

      Наряду  с преимуществами порошковой металлургии следует отметить и недостатки, затрудняющие и ограничивающие широкое ее распространение. К основным недостаткам следует отнести высокую стоимость порошков металлов и отсутствие освоенных методов получения порошков сплавов – сталей, бронз, латуней и пр. Изделия, получаемые из металлических порошков, вследствие пористости обладают повышенной склонностью к окислению, причем окисление может происходить не только с поверхности, но и по всей толщине изделия. Металлокерамические изделия обладают также сравнительно низкими пластическими свойствами (ударная вязкость, удлинение) /3/.

1 Методы изготовления  порошковых материалов

      Порошковый  материал – совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения с размерами до 1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой /4/.

      Все сыпучие тела состоят из частиц и  межчастичных (внешних) пор. Частицы  порошков, в свою очередь, могут подразделяться на более мелкие структурные элементы. Металлические частицы практически всегда содержат примеси, распределенные как по поверхности, так и в виде внутренних включений, и часто имеют внутричастичные поры.

      Частицы могут иметь самую разнообразную  форму. Можно подразделить различные структуры на три основные группы:

• волокнистые или игольчатые частицы, длина которых значительно превышает их размер по другим измерениям;
• плоские частицы (пластинки, листочки, таблицы), длина и ширина которых во много раз больше толщины;
• равноосные частицы с примерно одинаковыми размерами по всем измерениям.

      Частицы отделены одна от другой порами (межчастичными) и контактными промежутками. Поры в непрессованных порошках занимают обычно 70-85% всего объема. Кроме пор межчастичных, порошки могут иметь и внутричастичные поры. Размер межчастичных пор увеличивается с повышением размера частиц и уменьшением плотности их укладки.

      Вследствие  значительного размера удельной поверхности количество поверхностных  примесей на единицу массы (главным  образом окислов) у порошков, особенно тонких, значительно больше, чем у компактных тел. В порошках также имеются и внутричастичные примеси – включения загрязнений, окислов и т.п. Возможно также механическое загрязнение порошков отдельными частицами примесей /5/.

      Производство  порошка – первая технологическая  операция метода порошковой металлургии. Существующие способы получения порошков весьма разнообразны – это делает возможным придания изделиям из порошка требуемых физических, механических и других свойств. Также метод изготовления порошка определяет его качество и себестоимость. Выделяют два способа получения порошков: физико-химические и механические.

      К физико-химическим методам относят  технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими  физико-химическими превращениями  исходного сырья. В результате полученный порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала. К физико-химическим методам относятся: электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений, восстановление оксидов твердыми восстановителями и газами, метод испарения и конденсации и др.

      Под механическими методами получения  порошков понимают технологические процессы, при которых в результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в порошок без изменения его химического состава. Чаще всего используется измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций. К механическим методам относят: измельчение металла резанием, размол в шаровых мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках, распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом.

      Более универсальными являются физико-химические методы, но в практике порошковой металлургии  четкой границы между двумя методами получения порошка нет. Чаще всего  в технологическую схему производства порошка включаются отдельные операции как механических, так и физико-химических методов получения порошка.

      Получение металлических порошков путем восстановления из оксидов является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным методом /6/.

      Восстановление – процесс получения металла, материала, вещества или их соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода или солевого остатка) из исходного химического соединения /4/.

      Порошки, получаемые восстановлением, имеют  низкую стоимость, а в качестве исходных материалов при их получении используются рудные концентраты, оксиды, отходы металлургического производства. Эта особенность метода восстановления обусловила его широкое практическое применение. В настоящее время этим методом получают порошки многих металлов /6/.

      В общем случае химическую реакцию  восстановления можно представить:

      MeX + B ↔ Me + BnXm ± Q,

      где Х – неметаллическая составляющая,

      В – восстановитель (углерод в виде кокса, сажи, древесного угля, природных газов; Н2; СО; СО2; активные металлы) /4/.

      Восстановление  металлов из оксидов может производиться  твердыми или газообразными восстановителями. К числу активных газообразных восстановителей относятся водород, окись углерода и различные газы, содержащие СО и Н2. В качестве твердого восстановителя используют углерод и металлы, имеющие большее химическое сродство к кислороду: натрий, кальций и магний. Восстановление одних металлов при помощи других, имеющих большее сродство к кислороду, называется металлотермией.

      Среди восстановителей углерод (благодаря низкой стоимости и простоте процесса восстановления) находит широкое применение. Недостатком процесса является возможность науглероживания восстанавливаемых металлов, что ограничивает этот процесс. Восстановление углеродом наибольшее распространение имеет при получении порошков железа, хрома, вольфрама и некоторых других металлов, а также при непосредственном получении порошков из оксидов карбидов.

      В связи с тем, что металлы по восстановимости оксидов разделяются на легко восстановимые (медь, никель, кобальт, железо, вольфрам и молибден) и трудно восстановимые (хром, марганец, ванадий, алюминий, магний), для восстановления многих оксидов требуются более сильные по сравнению с углеродом восстановители. Нередко для получения порошков, не загрязненных углеродом, например, порошков кобальта, вольфрама, молибдена, в качестве восстановителя применяется водород.

      Независимо  от восстановителя метод получения  порошков восстановлением является гибким процессом. Частицы порошков получаются губчатыми в виде многогранников с сильно развитой поверхностью, которые благодаря большой пористости хорошо прессуются. Размеры частиц определяются температурой восстановления: чем ниже температура, тем мельче получаются частицы порошков.

      Восстановление металлических оксидов металлами применяется только в том случае, когда восстановление углеродом или газом является невозможным или непрактичным  /6/.

2 Методы контроля  свойств порошков

      2.1 Химические свойства

      Химические  свойства порошков зависят от содержания основного металла или основных компонентов, входящих в состав комплексных порошков, а также от содержания примесей, различных механических загрязнений и газов. Также важными химическими особенностями порошков являются их воспламеняемость, взрываемость и тоскичность.

      Содержание  основного металла в порошке  или сумма основных компонентов сплава составляет обычно более 98-99%, что для последующего изготовления большинства порошковых материалов достаточно. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами (например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.

      Предельное  количество примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой продукции. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.

      Воспламеняемость  порошка связана с его способностью к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей атмосферой, которая при относительно невысоких температурах может привести к воспламенению порошка или даже взрыву.

      Пожароопасность зависит от химической природы и  чистоты металла, крупности и  формы частиц порошка, состояния  их поверхности (пленки оксидов уменьшают пожароопасность, а шероховатость усиливает ее).

      Воспламеняемость  порошка зависит от того, находится  ли он в свободно насыпанном состоянии (в виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (в виде аэрозоля). Для аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения, а также энергию воспламенения.

      Взрываемость  порошка. Сверхвысокие скорости химического  взаимодействия порошка с кислородом приводят к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием и распространением взрывной волны (происходит взрыв).

      Металлические порошки, располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться. Поэтому, рассматривая взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е. взвеси металлических частиц в газе.

      Характеристики  взрываемости зависят от дисперсности металлического порошка, степени его окисленности и содержания кислорода в газовой фазе.

      Токсичность порошка. Практически пыль любого из металлов, в том числе и совершенно безвредных в компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать патологические изменения в его организме, фиброгенные и аллергические заболевания. Степень опасности для здоровья человека металлических пылей зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в организм и т.д. Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях концентрацию пыли на уровне ниже нормы ПДК /7/.

      Согласно  заданию дан порошок ПХ30-1, полученный методом восстановления. Его химический состав: 70% железа, 30% хрома.

      2.2 Физические свойства

      К физическим свойствам порошка относятся  форма и размер частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность частиц, пикнометрическая плотность и микротвердость.

      Форма и размер частиц. В зависимости  от химической природы металла и  способа получения, частицы порошка  могут иметь различную форму  – сферическую (карбонильные), каплеобразную (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле в вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в шаровых и вибромельницах), волокнистую и лепесткововидную (получение при плющении).

      Форма частиц порошков оказывает большое  влияние на насыпную плотность и прессуемость, а также на плотность, прочность и однородность прессовок.

      В зависимости от метода получения  порошков их размеры могут колебаться в больших пределах. В связи с этим порошки классифицируются на ультратонкие с размером частиц до 0,5 мкм; весьма тонкие – от 0,5 до 10 мкм; тонкие – от 10 до 40 мкм; средней тонкости – от 40 до 150 мкм и крупные (грубые) – свыше 150 мкм.

      Гранулометрический  состав. Размер частиц является важнейшей  технологической характеристикой порошков. Величина частиц, а особенно так называемый набор зернистости, т.е. соотношение количества частиц разных размеров (фракций) выраженное в процентах, называется гранулометрическим составом. Данные по гранулометрическому составу входят в качестве обязательного требования к техническим условиям на порошки.

      От  размера частиц порошков в сочетании  с другими свойствами зависят  насыпная плотность, давление прессования, усадка при спекании,

      механические  свойства готовых изделий.

      Существует  несколько методов определения гранулометрического состава порошков: ситовый анализ, микроскопический метод, седиментация и др. Самым простым и наиболее распространенным является ситовый анализ, который состоит в просеивании пробы порошка через набор сит, взвешивании отдельных фракций и расчета их процентного содержания /8/.

      Удельная  поверхность частиц. Под удельной поверхностью порошкообразных тел понимается суммарная поверхность всех частиц порошка, взятого в единице объема или массы.

      Удельная  поверхность зависит от размера  и формы частиц, а также от степени развитости их поверхности. Удельная поверхность возрастает с уменьшением размера частиц, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности.

      Удельная  поверхность – важная характеристика, которая определяет поведение порошкового материала при основных технологических операциях – прессовании и спекании.

      Наиболее  часто для определения показателя удельной поверхности применяют методы измерения его газопроницаемости и адсорбции /4/.

      Пикнометрическая  плотность. Исследование плотности металлических порошков в зависимости от метода их получения показывает, что фактическая плотность частиц порошка значительно отличается от плотности, вычисленной на основе рентгенографических данных при определении кристаллографической структуры металлического порошка. Это различие в плотности объясняется наличием в металле порошка значительной внутренней пористости, дефектов, оксидов и т.п. Поэтому в практике порошковой металлургии важное значение приобретает фактическая плотность, которую определяют пикнометрическим методом /8/.

      Микротвердость  частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Ее величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также от условий предварительной обработки порошка, изменяющей структуру его частиц. Деформируемость имеет важное значение для оценки технологических свойств порошков, главным образом их прессуемости /6/.

      Микротвердость  частиц порошка определяют по методу Виккерса, т.е. вдавливанием алмазной пирамиды в исследуемый материал с целью прогнозирования поведения порошка при прессовании и для разработки новых материалов /4/.

      2.3 Технологические  свойства

      Под технологическими свойствами порошков понимается их насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость.

      Насыпная  плотность порошка – масса  единицы объема порошка при свободной  насыпке.

      Насыпная  плотность выражает способность  порошка к укладке и зависит  от плотности металла (сплава) и фактического заполнения порошком объема. Плотность  укладки частиц порошка в объеме определяется его дисперсностью, формой и удельной поверхностью частиц. Поэтому насыпная плотность порошка из одного металла (в зависимости от метода получения) может иметь различное значение /8/.

      Текучесть порошка – способность порошка  с определенной скоростью вытекать из отверстия. Этот показатель важен для организации процесса автоматического прессования заготовок. По стандарту текучесть выражают числом секунд, за которое 50 г порошка вытекает через колиброванные отверстия конусной воронки.

      Уплотняемость – способность уменьшать занимаемый объем порошкового материала под воздействием давления или вибрации. По стандарту эта характеристика оценивается по плотности прессовок, изготовленных при давлениях прессования в цилиндрических прессформах с заданным диаметром.

      Прессуемость  – способность образовывать тело при прессовании, которое имеет заданные размеры и форму.

      Формуемость – способность сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале пористости. Формуемость порошка в основном зависит от формы, размеров и состояния поверхности частиц. Как правило, порошки с хорошей формуемостью обладают не очень хорошей прессуемостью, и наоборот. Чем выше насыпная плотность порошка, тем хуже формуемость и лучше прессуемость /7/.

      По  заданию дан порошок марки ПХ30-1, насыпная плотность которого составляет 2,14 г/см3.

3 Основные закономерности  прессования

      3.1 Расчет давления  прессования

      Для расчета давления прессования целесообразно  использовать уравнение М. Ю. Бальшина:

      где Pmax [МПа]– давление прессования, необходимое для получения беспористого тела.По физической сущности оно равно давлению истечения материала и соответствует твердости наклепанного упрочненного металла.

      Pmax = 2100 МПа;

      m – коэффициент, учитывающий природу прессуемого материала и называется показатель прессования.

      m = 4,1;

      β – относительный объем прессовки, связанный с относительной плотностью.

      Плотность компактного материала рассчитывается:

      γк = 0,30 γCr + 0,70 γFe

      где γCr = 7,19 г/см3

      γFe = 7,874 г/см3

      Тогда:

      γк = 0,30 ∙ 7,19 + 0,70 ∙ 7,874 = 7,67 г/см3

      Пористость  рассчитывается по формуле:

      Отсюда: γпресс = γк - П·γк

      П = 24% = 0,24

      γпресс = 7,67 – 7,67∙0,24 = 5,829

      Рассчитав γпресс и γк можно найти γотн:

      γотн  = 5,829 / 7,67 = 0,76

      Следовательно: β = 1 / 0,76 = 1,32

      Используя найденные показатели можно рассчитать давление прессования:

      Р = 2100 / 1,32 4,1 = 673 МПа

       3.2 Расчет высоты матрицы прессформы

                                                       Изделие:

      Рисунок 1 – Схема простейшей прессформы для ручного прессования

      D1 = D + 2a

      D = d = 24 мм,  а = 20 мм

      Тогда D1 = 24 + 2∙20 = 64 мм

      Рассчитываем  высоту матрицы прессформы:

       ,

      h = 24 мм, lдоп = 20 мм, γнас = 2,14 г/см3 

      Тогда Н = 5,829/2,14 ∙ 24 + 20 = 64 мм  

      hп =H+hдоп

      hдоп = 5 мм

      hп = 85,4 + 5 = 90,4 мм

      При давлении прессования 673 МПа выбираем антифрикционный материал – 5К6.

      3.3 Расчет массы навески  порошка

      Масса навески порошка рассчитывается формуле:

      m=0,79d3 γк

      где d – диаметр отверстия матрицы прессформы

      Тогда m = 0,79∙2,43∙7,67 = 6,06 г

      3.4 Выбор прессформы

      Основным  приспособлением при прессовании  металлических порошков является прессформа. Конструкция пресс-формы определяется такими факторами, как характер приложения давления при прессовании – одностороннее или двухстороннее; применяемый способ извлечения изделия из пресс-формы – выталкивание или разборка пресс-формы; количество одновременно прессуемых изделий – одно или многоместная пресс-форма; и, наконец, метод работы – индивидуальное прессование с ручной распрессовкой или применение полностью автоматизированного процесса.