Современное состояние порошковой металлургии

Содержание

Введение 3

1. История порошковой металлургии 3

2. Современное состояние порошковой металлургии 6

2.1 Методы  получения металлических порошков 6

2.2 Методы изготовления порошковых  изделий 7

2.3 Приготовление  смеси 8

2.4 Формование порошка (прессование) 8

2.5 Спекание 9

2.6 Дополнительные  операции 10

2.7Принципиально  новые материалы 11

2.8 Значение  порошковой металлургии 13

Заключение 16

Список используемой литературы 18

         Введение

Порошковая металлургия - область науки и техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов, сплавов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Сущность порошковой металлургии заключается в производстве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии. Порошки получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического производства. Технологический процесс производства и обработки изделий и материалов методами порошковой металлургии включает получение порошков, их формование в заготовки, спекание (температурную обработку) и при необходимости окончательную обработку (доводку, калибровку, уплотняющее обжатие, термообработку).

Способы производства порошков подразделяют на механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические и комбинированные.

1. История порошковой металлургии

Материальные памятники, характеризующие этапы развития человеческого общества, свидетельствуют  о том, что порошки золота, меди и бронзы применялись людьми 8–10 тыс. лет назад. Еще в бронзовом веке люди умели получать и использовать некоторые виды порошков, а также применять горячую ковку порошковой массы. Этот опыт был использован около 5 тыс. лет назад для изготовления железных орудий труда и вооружения и ознаменовал начало века железа.

Колыбелью древней металлургии, как цветных металлов, так и железа считают Ближний Восток. Видимо, отсюда, через Кавказ, технология железа и железных изделий проникла в Европу (II–I тыс. до н. э.) и на восток Азии, вплоть до Индии.

Изделия из железа, которое  значительно более тугоплавко (температура  плавления 1539 ˚С), чем медь (температура  плавления 1083 ˚С), не могли быть получены литьем, так как вплоть до XIX в. не были известны способы создания необходимых  для плавления железа высоких  температур. В распоряжении мастеров в основном были температуры 1000–1100 ˚С, получаемые за счет горения древесины. 

Позже стали использовать кричный метод и ковку заготовки  в нагретом состоянии. Сначала в  шахтных печах (домницах) при температуре порядка 1100 ˚С восстановлением богатой или обогащенной окисленной руды железа древесным углем получали крицу (губчатую массу железа), а затем проковывали ее в нагретом состоянии.

Для уменьшения пористости откованное железо повторно нагревали  в печи, а иногда и снова проковывали. Такое железо называли сварочным. В  целом объем его производства достигал сотен тысяч пудов, обеспечивая  потребности развивающегося земледелия в мотыгах, серпах, косах, топорах  и пр.

Исследования археологов показывают, что в 950–1000 гг. в Киевской Руси из железной крицы изготовляли различные предметы быта, оружие и др.

Научные основы порошковой металлургии разработал в 1752–1763 гг. М.В. Ломоносов. Он описал, к примеру, процессы получения порошкового свинца, способы перевода различных материалов в порошкообразное состояние, дал понятие спекания как операции перевода «порошкообразного тела, которому по желанию придана известная форма, в каменистое вещество».

Основоположником широко распространенного в настоящее  время направления в металлургии  – порошковой металлургии – стал П.Г. Соболевский.

В начале XIX в. на территории России были открыты богатейшие в мире запасы чистой платиновой россыпи. Известными на тот момент методами невозможно было обработать этот металл из-за свойственной ему высокой температуры плавления (1773˚С). Соответственно возник вопрос о поиске нового способа переработки данного материала. С этой целью была построена Соединенная лаборатория Горного кадетского корпуса, явившаяся первым в России химико-металлургическим центром, где в течении 1826 г. П.Г. Соболевский при участии помогавшего ему химика В.В. Любарского (1795–1852) создали новый способ получения платиновых изделий, названный затем порошковой металлургией. Он состоял в прокаливании хлорплатината аммония и последующем горячем прессовании полученного платинового порошка в цилиндрические заготовки.

Используя способ, разработанный  П.Г. Соболевским, с 1828 г. налажена массовая чеканка платиновых монет достоинством 3, 6 и 12 руб. на серебро, продолжавшаяся до 1845 г., которая и стала первым промышленным применением порошковой металлургии.

Однако после смерти П.Г. Соболевского чеканка платиновых монет  вскоре была прекращена, добыча платины  заметно сократилась, появились  печи с кислородно - водородным пламенем (что позволило развивать температуры более 1800 ˚С).

До начала ХХ в. сохранялось  лишь эпизодическое применение металлических  порошков для различных целей (железных порошков – в химических производствах, свинцовых порошков в аккумуляторах, и пр.).

Возрождение интереса к порошковой металлургии было, прежде всего, связано с необходимостью удовлетворения потребностей быстро развивавшейся электротехники. Электроламповой промышленности были нужны тугоплавкие материалы для нитей ламп накаливания, электромашиностроению были необходимы медно-графитовые щетки и т.п.

В 1900 г. наш соотечественник  А.Н. Ладыгин на Всемирной Парижской выставке продемонстрировал электрическую лампочку с телом накала из вольфрамовой проволоки, полученной методом порошковой металлургии.

 Решение этих и других  трудных технических задач послужило  мощным толчком к налаживанию  производства порошковых самосмазывающихся  подшипников, твердых сплавов, магнитных, антифрикционных и конструкционных материалов, а также многих других видов продукции.

В 1924 г. Т.М. Алексеенко-Сербиным была организована первая лаборатория тугоплавких металлов на Московском электроламповом заводе, а затем создана мощная сеть научных учреждений.

Большое участие в решении  проблем порошковой металлургии принимают кафедры многих высших учебных заведений - Московского института стали и сплавов, Киевского, Новочеркасского, Нижегородского, Пермского, Ереванского политехнических институтов, Харьковского университета и т.д.

Существенные успехи достигнуты в разработке теоретических основ  и технологии процессов прессования  и формования изделий из порошков.

Первые систематические  исследования, выполненные в 1936 - 1937 гг., положили начало развитию работ в этой области. Исследованы закономерности прессования в пресс-формах, процесс вибрационного уплотнения, гидростатического и изостатического, горячего, динамического и взрывного прессования, горячей штамповки, формования порошков прокаткой и т.д.

1926 - 1946 гг. - начало работ  в области теоретических основ процессов спекания. Исследования в этой области позволили оптимизировать ряд технологических режимов и создать новые процессы - например, активированное спекание вольфрама, спекание металлоалмазных композиций инструментального назначения, изготовление антифрикционных и конструкционных изделий с применением пропитки расплавленными металлами и пр.

Первыми видами изделий из порошков, производство которых было организовано в 1918 г., были медно - графитовые щетки. В дальнейшем создано большое количество электроконтактных материалов на основе серебра с добавками никеля, окиси кадмия, графита; на основе вольфрама с пропиткой медью и ряд других.

К началу 1950-х гг. мировое  ежегодное производство металлических  порошков, материалов и изделий из них составляло примерно несколько  десятков тысяч тонн. (7)

В последующие тридцать лет  темпы роста продукции порошковой металлургии в разных странах  в среднем составляли 6–10 %, достигая в отдельные периоды 15–20 % (США, ФРГ, Япония и др.).

В середине 1980-х гг. было реализовано  металлических порошков и изделий  из них в мире на пять миллиардов долларов, в том числе в США  более чем на один миллиард долларов.       

2. Современное состояние порошковой металлургии

В настоящее время порошковая металлургия является одним из приоритетных направлений развития металлургического  производства, в основе которой лежат перспективные технологические разработки.

2.1 Методы получения металлических порошков

Металлическим порошком называется совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся в контакте и не связанных между собой.

Металлические порошки получают механическим или физико-химическим методами.

Механический метод предполагает измельчение металлов или сплавов  посредством специальных шаровых  или молотковых мельниц. Так получают порошки железа, бронзы, чугуна и  других хрупких металлов.

Физико-химический метод  подразделяется на несколько разновидностей. К ним относятся восстановление металлов из окислов или других металлических соединений водородом, углеродом, иногда щелочными или щелочно-земельными металлами (для получения порошков железа, меди, вольфрама, молибдена, титана, тантала, ниобия), электролиз водных растворов солей металла (для получения порошков меди, железа, свинца, олова), электролиз расплавленных сред (для получения порошков редких тугоплавких металлов - тантала, ниобия, циркония, ванадия), распыление расплавов сжатым воздухом, газом, подачей струи жидкого металла на вращающийся диск или посредством литья в воду (для получения порошков легкоплавких металлов). Метод распыления расплавов  появился в 60-х годах. Его достоинства - возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.

К основным характеристикам  металлических порошков относятся  размер и форма частиц, объемная масса (вес), относительная плотность, пористость, текучесть, прессуемость и величина допустимого содержания примесей. Размер частиц для большинства промышленных порошков может быть не более десятых долей миллиметра, а их форма — самой разнообразной, что определяется методом и режимом их производства. (4)

Основные области применения железного порошка - производство порошковых изделий в таких областях, как  автомобильная промышленность и  транспортное машиностроение, производство бытовых приборов и электронной  аппаратуры, производство инструмента  и технологической оснастки, производство конторского оборудования, труб и  арматуры, строительное, горношахтное и сельскохозяйственное машиностроение и пр.

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. 

              2.2 Методы изготовления порошковых изделий

В обычной металлургии  металлические изделия получают, обрабатывая металлы такими методами, как литье, ковка, штампование и  прессование. В порошковой металлургии  изделия производят из порошков с  размерами частиц от 0,1 мкм до 0,5 мм. Типовой технологический процесс  изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих  основных операций: смешивание, формование, спекание и калибрование.

2.3 Приготовление смеси

Смешивание - это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.(5)

Пластификатор порошка - вещество, добавляемое к металлическому порошку с целью улучшения его прессуемости, увеличения прочности прессовки и предотвращения сегрегации перед прессованием. (9)

2.4 Формование порошка (прессование)

Формование изделий осуществляем путем холодного прессования  под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс - формы. Обычно пресс - инструмент ориентирован вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.

Горячее прессование - это процесс, который происходит в закрытых пресс - формах, при высоких температурах и давлении, возрастающем до заданной величины.

Горячее прессование - это  процесс, для осуществления которого необходимо соответствующее оборудование, обычно это гидравлический пресс. Сам процесс осуществляется либо в пресс - формах, которые производят из жаропрочных сплавов, либо из графита. Пресс - формы из графита используются при высокотемпературном прессовании, а пресс-формы из жаропрочных сплавов — при работе с температурами ниже, чем 1000°С.

Метод горячего прессования  позволяет соединить две различные  операции - формование и спекание —  в одну стадию производственного  процесса. Таким образом, прессование происходит при температуре спекания. Используя метод горячего прессования можно получить зерно меньшего размера и добиться повышения механических свойств материала, таких как плотность, прочность и ударная вязкость. Все это у материалов, полученных методом горячего прессования, имеет значительно более совершенные характеристики, чем у материалов, изготовленных по традиционной технологии прессования и спекания.(10)

2.5 Спекание

Цель спекания - получение готовых изделий с заданными плотностью, размерами и свойствами или полупродуктов с характеристиками, необходимыми для последующей обработки.

Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры  плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности  спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере  нейтральных газов (азот, аргон) или  в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая  связка выгорает (в начале спекания).

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.(12)

Жидкофазное спекание протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твердую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Плохая смачиваемость препятствует уплотнению.(3)

Предварительное спекание - спекание, проводимое при низкой температуре с целью удаления связующих, смазок и частичного скрепления порошка.

Окончательноe спеканиe - последняя операция спекания при многократном спекании.

2.6 Дополнительные операции

Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка  и др.

Дополнительные технологические  операции используют для достижения  чистоты поверхности и точности (механическая обработка, калибровка), для получения физических и механических свойств - химико-термическая обработка и различные пропитки.

Механическая обработка  имеет особенности, вызванные пористостью  материала. Например, режущий инструмент испытывает микроудары, приводящие его к быстрому затуплению. Для обработки применяют твердые сплавы; для получения высокой чистоты поверхности применяют алмазный инструмент.

Пропитка изделий маслом (машинным или веретенным) при температуре 110...120 *С происходит в течение 1 часа,  масло заполняет поры изделий и в процессе работы поступает по капиллярам к поверхности трения.  Это в ряде случаев позволяет избавиться от смазки  изделий  в  процессе работы и улучшает условия трущейся пары.

Химико - термическая обработка позволяет улучшить механические свойства изделий, расширить область применения.

     Нитроцементация - увеличивает износостойкость деталей: коррозионная стойкость увеличивается по сравнению со спеченными в 6- 8 раз: износостойкость в 30 раз при содержании азота до 1%

     Диффузионное  хромирование -  увеличивает износо- и коррозионную стойкость в несколько раз.

     Гальванические покрытия имеют  особенность, вызванную наличием пор. Для предотвращения проникновения электролита в поры необходимо их заполнение. Этого достигают за счет  тщательной  шлифовки и полировки - образуется уплотненный наружный слой с малой пористостью.

     Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность. Калибруют  как  по одному (наружному или внутреннему диаметру),  так и по нескольким параметрам.  Нужно иметь ввиду, что минимальный припуск необходимо  брать  в  пределах  0,05-0,07 мм.  Детали,  имеющие в структуре цементит, необходимо перед калибровкой отжеч. (10)

7.  Принципиально новые материалы

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%.

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более  термостойки, лучше переносят воздействие  циклических колебаний температуры  и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для  материалов новой техники.

Порошковая металлургия  находит широчайшее применение для  различных условий работы деталей  изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов 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, электро - щетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.    

Антифрикционные материалы - это специальные материалы, которые применялись и применяются в различных конструктивных типах узлов трения машин и двигателей, подвергающихся при работе трению и скольжению, но обладающих низким коэффициентом трения. Антифрикционные материалы отличаются низкой способностью к адгезии, теплопроводностью и стабильностью свойств, а самое главное - хорошей прирабатываемостью (т.е. способностью трущихся тел в начальный период трения постепенно улучшать контактирование поверхностей за счет их сглаживания).

Спеченные антифрикционные  материалы позволили повысить надежность и долговечность узлов трения, снизить потери на трение, заменить дорогостоящие подшипники качения, на подшипники скольжения или баббиты на железографитовые псевдосплавы. Разработка материалов твердыми смазками сделала возможным их применение в устройствах, где использование жидких смазок вообще не допустимо, например, в пищевой промышленности, при высоких температурах.

В процессе применения подобных материалов в конкретных узлах и  условиях приводило к созданию разнообразных  антифрикционных материалов. Выделяются такие антифрикционные материалы  как сплавы на основе олова или  свинца - баббиты, меди - бронза, железа - серый чугун, металлокерамические  сплавы - бронзографит, железографит, а также пластмассы текстолит, фторопласт-4, древесно-сложные пластики и сложные композиции типа «металл-пластмасса».

Преимуществом антифрикционных  самосмазывающихся подшипников  из металлических порошков, над изготовленными из литых материалов является превышающий в 1,5-10 раз срок службы. Более того, во многих случаях порошковые материалы на более дешевой железной основе могут заменять более дорогие литые материалы на основе меди. Введение различных наполнителей (твердых смазок, фторопластов и др.), которые принципиально не могут быть использованы в составе литых материалов, позволяет применять порошковые антифрикционные материалы при работе без смазки, в вакууме, в агрессивных средах, при повышенных температурах и в других тяжелых условиях.

Пористые порошковые материалы  широко используются в узлах трения, фильтрах, тепловых трубах, уплотнениях. (6)

Фрикционные порошковые материалы  являются,  по существу, композиционными и состоят из металлических и неметаллических компонентов. Они имеют наиболее высокие фрикционные свойства и широко применяются.

Электротехнические материалы - контакты, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, инструменты для электроэрозионной обработки, точечной и роликовой сварки – находят все более широкое применение в электротехнике, энерго - и аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике и других отраслях.

Что касается конструкционных  материалов, то они позволяют изготавливать  различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими  параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.)

Порошковые конструкционные  материалы  являются наиболее распространенной продукцией ПМ. Потребность в них составляет около 60% суммарной потребности в продукции порошковой металлургии.

Жаропрочные, жаростойкие  и композиционные материалы определяют развитие отраслей современной техники, где без обеспечения специальных свойств невозможна эксплуатация машин и агрегатов: авиационной, ракетной техники, космонавтики, химического машиностроения. Для их нужд были созданы тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие соединения, получаемые в большинстве случаев только методами порошковой металлургии.

Тугоплавкие и твердые  бескислородные соединения  и материалы на их основе - карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие - находят применение благодаря своим уникальным свойствам во многих отраслях  промышленности, например инструментальной.

Твердые сплавы -  важнейшие  широко распространенные порошковые материалы, при получении которых в полной мере реализуются возможности порошковой металлургии: получение композиционных материалов из компонентов с резко различной температурой плавления, достижение уникального комплекса физико - механических свойств, безотходная технология. Применяются твердые сплавы в инструментальной промышленности, буровой технике, при обработке давлением.

Материалы для современной  атомной энергетике должны выдерживать экстримальные механические и термические нагрузки с одновременным воздействием физических факторов, они используются в качестве поглощающих и замедляющих элементов, а так же топлива. Определенную их часть составляют порошковые материалы.

Эрозионностойкие  материалы должны сочетать разнообразные и необычные свойства изделий и обеспечивать их работоспособность в очень тяжелых  условиях эксплуатации. (5)

2.8 Значение порошковой металлургии

Порошковая металлургия  экономична в отношении материалов и, как и традиционные методы металлообработки, позволяет получать детали с нужными  механическими, электрическими и магнитными свойствами. Продукция порошковой металлургии  используется в различных отраслях промышленности.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие. Это, например, сравнительно высокая стоимость металлических порошков; необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии; трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров; сложность получения металлов и сплавов в компактном состоянии; необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Хотя недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоинства  нельзя рассматривать как постоянно  действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния  и развития, как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие.

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.

Применение порошковой металлургии, ее развитие имеет важное значение для всего мира. Передовые страны, такие, как США и Япония, ежегодно инвестируют и расширяют эту отрасль промышленности. Мировой рынок порошковых изделий непрерывно растет. Среднегодовые темпы прироста ее продукции в ближайшем десятилетии будут на уровне 8-12%.

Не последнее место  занимает порошковая металлургия и  в России, где она представлена такими предприятиями, как Кировградский  завод твердых сплавов, КИММПОР («Краснопахорский завод композиционных изделий из металлических порошков»), ЗАО НПП «Высокодисперсные металлические порошки», САУЛ-Порошковая металлургия, ОАО «Уралэлектромедь» и др. Производство железных и легированных порошков в России освоено на ОАО «Сулинский металлургический завод», ОАО «Северсталь», ОАО «Полема» (г. Тула), ЗАО «Инвест-технологии» (г. Москва).