Основы порошковой металлургии

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего и профессионального образования

 

 

 

 

 

МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Имени адмирала Г.И. Невельского

 

Кафедра «Технология материалов»

 

 

 

Реферат на тему «основы порошковой металлургии»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: курсант 04.31 группы

Кожевников О.В.

Проверил: преподаватель

Малышко С.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток 2014

Содержание.

 

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

История развития порошковой металлургии…………………………….……...4

 Производство металлических  порошков и их свойства…………………..……5

Формование металлических порошков…..........................................7

Список использованной литературы……………………………………………11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, а в ряде случаев существенно повысить экономические показатели производства. При этом способе в большинстве случаев коэффициент использования материала составляет около 100%.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлом трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История развития порошковой металлургии.

 

Порошки металлов применяли и в древнейшие времена. Порошки меди, серебра и золота применяли в красках для декоративных целей в керамике, живописи во все известные времена. При раскопках найдены орудия из железа древних египтян (за 3000 лет до нашей эры), знаменитый памятник из железа в Дели относится и 300 году нашей эры. До 19 века не было известно способов получения высоких температур (около 1600-1800 С). Указанные предметы из железа были изготовлены кричным методом: сначала в горнах при температуре 1000 С, восстановлением железной руды углем получали крицу (губку), которую затем многократно проковывали в нагретом состоянии, а завершали процесс нагревом в горне для уменьшения пористости

С появлением доменного производства от крицы отказались и о порошковой металлургии забыли.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения в особый технологический метод обработки принадлежит русским ученым П.Г. Соболевскому и В.В. Любарскому, которые в 1826 г., за три года до работ англичанина Воллстана, разработали технологию прессования и спекания платинового порошка.

После первых работ П.Г. Соболевского по разработке процесса изготовления монет из порошка платины, выполненных в России в 1826 – 1827 гг. стало развиваться новое направление в науке - порошковая металлургия.

Процесс получения железного порошка комбинированным восстановлением окалины газом и сажей в 1948 - 1958 гг. был положен в основу строительства Броварского завода порошковой металлургии (Украина). В 1953 - 1957 гг. организовано производство порошков сложнолегированных сталей и сплавов методом металлотермического восстановления. Разработан метод получения легированных порошков железа диффузионным насыщением. Получены порошки карбонильным методом, механическим измельчением, исследуются процессы получения порошков восстановлением окислов, электролизом водных растворов и расплавленных сред. Внедрены методы получения металлических порошков распылением расплавов.

В настоящее время изготавливаются в промышленном масштабе порошки таких металлов, как железо и его сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и другие.

В 60-х годах широко развились работы по созданию спеченных конструкционных материалов на железной основе, с пропиткой прессовок медью и ее сплавами, с введением в состав материала углерода в виде графита или порошка белого чугуна, с заполнением пор материала стеклом, что дало повышение прочности до 75 - 80 кг/мм кв. Применение легированных порошков в сочетании с горячей штамповкой или высокоскоростным холодным прессованием с последующим спеканием позволило получить материалы с прочностью выше 200 кг/мм кв.

Активно разрабатывались и другие материалы - фрикционные, уплотнительные, износостойкие, магнитные, фильтровые, инструментальные, волокновые, дисперсно-упрочненные. Созданы ряд материалов, изготавливаемых методами прокатки - токосъемные пластины, электродные ленты, биметаллическая проволока и другие биметаллические и триметаллические материалы.

Типовая технология производства заготовки изделий методом порошковой металлургии включает четыре основные операции:

получение порошка исходного материала;

формование заготовок;

спекание и

окончательную обработку. 

Каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия.

 

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. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение хрупких металлов и их сплавов таких, как кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием. Размол вязких пластичных металлов (медь, алюминий и др.) затруднен. В случае таких металлов наиболее целесообразно использование в качестве сырья отходов образующихся при обработке металлов (стружка, обрезка и др.).

При измельчении комбинируются различные виды воздействия на материал статическое – сжатие и динамическое – удар, срез – истирание, первые два вида имеют место при получении крупных частиц, второй и третий – при тонком измельчении. При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия выполняет работу упругого и пластического деформирования и разрушения, нагрева материалов, участвующих я процессе размельчения.

Для грубого размельчения используют щековые, валковые и конусные дробилки и бегуны; при этом получают частицы размером 1-10 мм, которые являются исходным материалом для тонкого измельчения, обеспечивающего производство требуемых металлических порошков. Исходным материалом для тонкого измельчения может быть и стружка.

Окончательный размол полученного материала проводится в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Шаровая мельница (рис. 1) - простейший  аппарат, используется для получения относительно мелких порошков с размером частиц от нескольких единиц до десятков микрометров.

Рис 1 .Схемы движения шаров в мельнице: а – режим скольжения, б – режим перекатывания, в – режим свободного скольжения, г – режим критической скорости.

Рис 2. Схема вибрационной мельницы:1-корпус-барабан,2-вибратор вращения,3-спиральные пружины,4-электродвигатель,5-упругая соединительная муфта.

В мельницу загружают размольные тела (стальные или твердосплавные шары) и измельчаемый материал. При вращении барабана шары поднимаются вследствие трения на некоторую высоту и поэтому возможно несколько режимов измельчения:

скольжения,

перекатывания,

3) свободного падения,

4) движения шаров при критической  скорости  вращения барабана.

В случае скольжения шаров по внутренней поверхности вращающегося барабана материал истирается между стенкой барабана и внешней поверхностью массы шаров, ведущей себя как единое целое. При увеличении частоты вращения шары поднимаются и скатываются по наклонной поверхности и измельчение происходит между поверхностями трущихся шаров. Рабочая поверхность истирания в этом случае во много раз больше и поэтому происходит интенсивное истирание.

Для увеличения интенсивности измельчения процесс проводят в жидкой среде, препятствующей распылению материала и слипанию частичек. Количество жидкости составляет 0,4 л на 1кг размалываемого материала. Длительность измельчения: от нескольких часов до нескольких суток.

Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов с температурой плавления до 1600 С: алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и других металлов и сплавов.

Сущность измельчения расплава состоит в дроблении струи расплава либо высокоэнергонасыщенным газом или жидкостью, либо механическим распылением, либо сливанием струи расплава жидкую среду (например воду). Основной частью технологического узла является форсунка.

Для распыления металл плавят в электропечах. В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошке распыление осуществляют воздухом, азотом, аргоном, гелием, а для защиты от окисления - инертным газом.

При различных условиях распыления получают частички порошка каплеобразной, шарообразной и других форм. Размеры частиц получают от 1 мм до сотых долей миллиметра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формование металлических порошков.

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или вакууме) при температуре 0,4...0,6 абсолютной температуры плавления металла порошка. Наиболее часто отжигают порошки полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

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 классифи-цируют 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. В этом случае полезно применять  раздельную  загрузку  компонентов по частям: сначала более легкие с каким-либо более тяжелым, затем остальные компоненты. 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. 

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

Прессование в стальной прессформе

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.

 

Неравномерность плотности по высоте заметна в тех случаях, когда высота больше минимального поперечного сечения. При прессовании засыпанных в цилиндрическую прессформу одинаковых доз порошка,  разделенных прокладками из тонкой фольги получают отдельные  слои различной формы  и  размера  (рис.8). 

Рис.8 Схема распределения плотности по вертикальному сечению спрессованного порошка при одностороннем приложении давления (сверзу).

В вертикальном направлении каждый верхний слой оказывается тоньше нижележащего. Изгиб слоев объясняется  меньшей  скоростью перемещения порошка у стенки из-за трения, чем в центре. Наибольшая плотность получается на расстоянии около 0.2...0.3 наименьшего поперечного размера прессуемого изделия,  что связано с действием сил трения между  торцом пуансона и порошком.

Для получения более качественных изделий после прессования

получения более равномерной плотности по различным сечениям применяют смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту,  поливиниловый спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутреннее трение и трение на стенках инструмента. Смазку обычно)- в порошок, что обеспечивает наилучшие производственные показатели.

 

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. Из-за практического отсутствия трения между оболочкой и  порошком  спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечениям,  а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессформах. Перед прессованием порошок подвергают виброуплотнению. Гидростатическим прессованием получки? цилиндры, трубы, шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

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. Схема процесс представлена на рис. 10.

 

После   прессования оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных спрессованнному металлу.

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. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц I... 2 мкм (реже до 5...10 мкм) и жидкости - воды, спирта, четырех- хлористого водорода. 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).  Эти потоки возникают в результате впитывая жидкости в поры гипсовой формы под действием вакуума или  центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаскалей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной  и  составляет 1...60  мин.  После  удаления  изделия  из  формы его сушат при 110...150*С на воздухе, в сушильных шкафах.

 

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.

Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема  и поэтому различают линейную и объемную усадку.  Обычно усадка в направлении прессования больше,  чем в поперечном направлении.  Движущей силой процессе усадки при спекании является стремление системы к уменьшению запаса  поверхностной  энергии, что  возможно только при сокращении суммарной поверхности честны,  порожке.  Но этой причине порошки с развитой  поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большие запасом поверхностной энергии.

При спекании иногда наблюдается нарушение процесса усадки.

Это нарушение выражается в недостаточной степени усадки  или  в увеличении объема. Причинами этого является: снятие упругих остаточных напряжений после прессования, наличие невосстанавливающихся окислов, фазовые превращения и выделение адсорбированных и образующихся при химических реакциях  восстановления  окислов газов.  Рост  объема  спекаемых тел наблюдается при образовании закрытой пористости и объеме пор более 7% (когда расширение газов  в  закрытых порах вызывает увеличение объема).  Пленки невосстанавливающихся окислов тормозят  процессы  диффузии,  препятствуя усадке.  На рис.  11 приведена кривая изменения усадки во времени при заданной температуре.

Рис.11 Усадка спрессованного порошка железа при 890 С при различном давлении: 1-400 мн/м2, 2-600 мн/м2,3-800 мн/м2, 4000 мн/м2.

.

 

 

Список литературы

 

2. .Раковский B.C., Саклинский В.В. Порошковая  металлургия в машиностроении.  Машиностроение; М. 1973

3. Либенсон Г.А. Основы порошковой  металлургии. Металлургия; М. 1975

4. Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии; К. 1961

5. Бальшин М.Ю. Научные основы  порошковой металлургии и металлургии  волокна; М. 1972