5. Основы производства изделий из металлических порошков и пластмасс

Производство изделий из металлических порошков и пластмасс относится к малоотходным и безотходным технологиям. Коэффициент использования материала составляет 95-100%.

5.1 Производство изделий из металлических порошков

Получение металлических порошков и изготовление из них изделий называется порошковой металлургией (ПМ).

Технологический процесс ПМ включает следующие основные этапы:

получение порошков; приготовление шихты; формование заготовок; спекание; окончательная обработка.

5.1.1 Получение металлических порошков производится механическими и физико-механическими методами. К ним относятся: дробление и размол в шаровых, вибрационных, молотковых мельницах; восстановление оксидов и солей в твердых или газообразных восстановителях; распыление расплавленного металла водой, сжатым воздухом или газом; электролиз расплавленных солей (Ta, Ti, Zr и др.). Размеры частиц металлических порошков составляют 0,5-500 мкм.

Порошки характеризуются химическими (содержанием примесей, газов, оксидов, механических включений и т.д.), физическими (формой, размером, удельной поверхностью, плотностью, микротвердостью) и технологическими (текучестью, прессуемостью, спекаемостью) свойствами.

5.1.2 Подготовка порошков и приготовление порошковой шихты включает при необходимости операции отжига порошков (Тотж.=(0,5-0,6)Т_пл), рассева на фракции и усреднение, а также смешивание шихты и дозировку.

5.1.3 Формирование из порошков заготовок производится различными способами: прессование в пресс-формах, гидростатическое прессование, прокатка, мундштучное прессование, вибрационное и высокоскоростное формование и др. Установлены зависимости изменения плотности заготовки от усилия формования. Получаемые заготовки обычно имеют форму, максимально приближенную к готовым изделиям, и прочность, достаточную для их транспортировки и загрузки в печь для спекания.

5.1.4 Спекание порошковых заготовок представляет собой процесс термической обработки, заключающейся в нагреве, выдержке и охлаждении заготовок. Температура спекания (Т_сп) = (0,6-0,9)Т_пл. Производится спекание обязательно в защитной или нейтральной атмосфере, в вакууме или в засыпке. Процесс спекания рекомендуется проводить в несколько этапов:

I - нагрев до температуры 150-200°С (удаление влаги, выгорание стеарата цинка);

II - нагрев до 0,5Т_сп (снятие упругих напряжений, активное сцепление частиц);

III - окончательный нагрев до Т_сп (время выдержки при Т_сп составляет 30-90 мин);

IV - охлаждение в холодильнике.

При спекании проходят сложные физико-химические процессы - восстановление поверхностных оксидов, диффузия, развитие межчастичных связей, рекристаллизация, усадка и др. Технология спекания влияет на прочность и плотность изделий. Увеличение времени и температуры до определенного предела приводит к повышению прочности и плотности в результате активизации процессов образования контактных поверхностей. Однако с ростом Т_сп и времени происходит рост зерен, что приводит к снижению механических свойств. При спекании наблюдается усадка, величина которой зависит от дисперсности порошка, температуры и времени спекания. При усадке уменьшаются остаточные напряжения, улучшаются механические свойства изделий. В некоторых случаях (при наличии невоссанавливающихся оксидов, выделения газов, расширении газов в закрытых порах, диссоциации химических соединений и др.) при спекании усадки не наблюдается, а наоборот, рост заготовки.

Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Последнее возможно только при многокомпонентных системах, когда один или несколько компонентов переходят в жидкое состояние. Взаимодействие твердой и жидкой фаз дает образование твердого раствора, например при спекании твердого сплава WC-Co. Спекание с жидкой фазой позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных сил, приводящих к затягиванию пор.

На практике более распространено спекание в твердей фазе. За счет диффузии в твердом состоянии из отдельных элементарных кристалликов образуются сростки, обеспечивающие прочное межчастичное сцепление,

5.1.5 Окончательная обработка спеченных изделий предусматривает проведение отделочных операций (калибровки, обработки резанием), термической и химико-термической обработки, повторное прессование, пропитка маслом и т.д.

Особенности механической обработки порошковых изделий, прежде всего, связаны с остаточной пористостью материалов, неравномерной твердостью, возможностью расслоения. Термическую и химико-термическую обработку спеченных изделий проводят также как и для компактных сталей, однако при этом необходимо учитывать особенности процессов (повышенная склонность к обезуглероживанию, пониженная закаливаемость и прокаливаемость, активизация насыщения при химико-термической обработке), связанные с наличием пористости и повышенной гетерогенности структуры.

5.1.6 Операции технологического процесса - формование (прессование) и спекание заготовок - можно выполнять последовательно, дублировать и совмещать. В зависимости от этого различают способы получения порошковых изделий. Основными из них являются: способ прессования-спекания, позволяющий получать изделия с остаточной пористостью 20-50% (конструкционные ненагруженные и малонагруженные детали, антифрикционные, фрикционные, контакты, фильтры и т.д.); двухкратное прессование - спекание позволяет получать изделия с пористостью 8-15% (средне и высоконагруженные конструкционные изделия сложной формы); горячее статическое прессование представляет собой спекание, активированное внешним давлением, при этом порошок нагревается до Т_пр=(0,5-0,8)Т_пл совместно с пресс-формой, получают практически беспористые материалы и изделия с высокими физико-механическими свойствами (тугоплавкие и твердые сплавы); прокатка позволяет получать пористые, твердосплавные, фрикционные, многослойные ленты, полосы и листы толщиной 0,02-3,0мм, а также прутки и проволоку диаметром до 0,25мм; экструзия заключается в выдавливании порошкового материала через отверстия заданного профиля, получают различные длинномерные изделия; изостатическое прессование заключается в формовании порошкового изделия помещенного в контейнер в условиях всестороннего сжатия, процесс может осуществляться с одновременным нагревом заготовки, с последующим спеканием и проковкой, применяется в основном для получения качественных заготовок из быстрорежущей стали (массой до 2000кг, а также твердых сплавов; динамическое горячее прессование (горячая штамповка) порошковых изделий.

Динамическое горячее прессование (ДГП) заключается в нагреве порошковых заготовок и допресссовки их до требуемой плотности в штампе на быстроходовом кузнечно-прессовом оборудовании. ДГП может осуществляться по нескольким технологическим вариантам:

I - прессование, нагрев, горячая допрессовка;

II - прессование, спекание, нагрев, горячая допрессовка;

III - прессование, нагрев со спеканием, горячая допрессовка. Формирование структуры и свойств получаемых материалов и изделий происходит на всех стадиях процесса и термической обработки. Однако превалирующее влияние оказывает степень термомеханического воздействия при горячей допрессовке заготовки. При этом обеспечивается развитие сращивания на контактных поверхностях частиц и формирование мелкозернистой структуры. ДГП позволяет получать практически беспористые материалы и изделия с комплексом физико-механических свойств на уровне компактных материалов. Получают методом ДГП детали конструкционного назначения, антифрикционные, со специальными свойствами (магнитные, жаропрочные, биметаллические и др.).

5.1.7 Материалы, получаемые методами ПМ, можно разделить на конструкционные (общего машиностроительного назначения и специального), со специальными физическими и химическими свойствами, инструментальные, материалы для узлов трения. Из них наибольшее распространение получили следующие.

Железоуглеродистые конструкционные материалы получают на основе жлезного порошка с добавками графита с остаточной пористостью 2-3%. Высокопористые получают прессованием спеканием, а высокоплотные двухкратным прессованием спеканием и ДГП. Предел прочности высокоплотных материалов достигает 1000 МПа и более. Такие материалы имеют мелкозернистую структуру.

Легированные конструкционные порошковые стали - наиболее широкое применение получили стали легированные Cu, Ni, Mn и Cr, а также нержавеющие и жаропрочные сплавы. Высокопористые (40-50% пористость) - материалы используют в качестве фильтров. Для этой цели применяют порошки коррозионностойких сталей Al, Ti, бронзы и др. Наиболее часто фильтры получают спеканием без предварительного прессования.

Легированные сплавы на основе Ni, Ti, Ta, W, Al, V и других элементов с пористостью менее 20% используют в качестве жаропрочных и жаростойких материалов для работы при температурах 850-900°С. При более высоких температурах (до 3000°С) используют тугоплавкие и твердые соединения типа оксидов, карбидов, боридов и др. Основной метод получения изделий из жаропрочных сплавов - горячее прессование.

Порошковые магнитные материалы широко применяют в радиоэлектронике и электротехнике. К ним относятся ферриты, которые получают холодным и горячим прессованием из порошков железа, сплавов на его основе или из порошков на основе окислов железа, при этом спекание или нагрев проводят в окислистельной среде. Хорошие свойства имеют постоянные магниты на основе порошков железа, легированные Al, Ni, Cu, Со. Получают распространение магнитномягкие порошковые материалы в виде чистого железа, сплавов Fe-Si, Ni, Co и др.

Магнитодиэлектрики представляющие собой композиции магнитных (Fe, Ni, Co, Cu и др.) и изоляционных материалов (фенольные смолы, полихлорвинил, каучук и др.) можно получать только методами порошковой металлургии.

Порошковые электроконтактные материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов (W, Mo, Co, Ni) с Cu, Ag и Ni. Такие контакты являются устойчивыми против эрозии. Их можно изготовлять биметаллическими. Широко применяются скользящие порошковые контакты в виде щеток на основе Cu-Гр, Cu-Fe-Гр, Cu-Ag-Гр.

Металлокерамические твердые сплавы - один из старейших видов продукции порошковой металлургии. По сравнению с литыми они обладают более высокими свойствами. Основой твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала применяется порошок кобальта. Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы (основа - алмазный порошок, связка – порошки Cu, Ni и др. материалы на основе карбидов бора (эльбор).

Для изготовления твердых сплавов применяют горячее прессование и многократное прессование-спекание.

Антифрикционные порошковые материалы изготовляют методом прессования-прессования из Fe-Гр, Fe-Cu-Гр, Al-Cu-Гр, бронза-графит и других композиций. Процентное содержание компонентов зависит от эксплуатационных требований к деталям. В таких материалах графит является твердой смазкой. Широко применяются в качестве подшипников скольжения пористые материалы, пропитанные маслом. В процессе эксплуатации пары терния масло нагревается, вытесняется из пор, образуя смазочную пленку.

Фрикционные материалы, представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных кислот. Для уменьшения износа в композиции вводят графит и свинец. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрикционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или диском).

Основными достоинствами порошковой металлургии является: безотходность производства, снижение трудоемкости, высокая производительность, возможность получения сверхтвердых, тугоплавких, высокопористых и других материалов, которые невозможно получить любыми другими методами, полная автоматизация операция технологического процесса, снижение энергозатрат, улучшение экологичности производства.

К недостаткам порошковой металлургии следует отнести высокую стоимость металлических порошков, ограниченность изготовления деталей по массе, форме и размерам. Однако по мере развития порошковой металлургии эти недостатки могут быть сведены к минимуму.

Вопросы для самоконтроля

1. Сущность порошковой металлургии и основные операции технологического процесса.

2. Какие существуют способы получения металлических порошков и их сущность?

3. Какие известны способы формования порошковых заготовок.

4. Какие физико-химические процессы протекают при спекании порошковых заготовок?

5. Какие известны виды окончательной обработки спеченных порошковых изделий?

6. Способы получения порошковых изделий и их применение.

7. Порошковые спеченные материалы, их виды, составы, свойства и назначение.

8. Основные достоинства и недостатки порошковой металлургии.