І. Д. Гнилиця, Я. А. Криль, І. В. Цап

ОСНОВИ ПОРОШКОВОЇ МЕТАЛУРГІЇ

ТА КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет

нафти і газу

Кафедра зносостійкості та відновлення деталей

І. Д. Гнилиця, Я. А. Криль, І. В. Цап

ОСНОВИ ПОРОШКОВОЇ МЕТАЛУРГІЇ

ТА КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Івано-Франківськ

2012

УДК 621.762

ББК 34.39

Г- 56

Рецензент:

Дрогомирецький Я. М.

доктор технічних наук, професор кафедри зносостійкості та відновлення деталей Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

Рекомендовано методичною радою університету

(протокол № 17 від 18.04.2012 р.)

Гнилиця І. Д., Криль Я. А., Цап І. В.

Г- 56 Основи порошкової металургії та композиційні матеріали: конспект лекцій. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2012. – 90 с.

МВ 02070855-3771-2012

Конспект лекцій містить основні положення порошкової металургії: методи одержання порошків, методи формування порошкових виробів, спікання і кінцева обробка порошкових виробів. Розроблений відповідно до робочої програми навчальної дисципліни.

Призначений для підготовки бакалаврів за напрямом 6.050504 – «Зварювання».

УДК 621.762

ББК 34.39

МВ 02070855-3771-2012 © Гнилиця І. Д., Криль Я. А., Цап. І. В.

© ІФНТУНГ, 2012

УДК 621.762

ББК 34.39

Г- 56

Рецензент:

Дрогомирецький Я. М.

доктор технічних наук, професор кафедри зносостійкості та відновлення деталей Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

Рекомендовано методичною радою університету

(протокол № _____ від ______ 2012 р.)

Гнилиця І. Д., Криль Я. А., Цап І. В.

Г- 56 Основи порошкової металургії та композиційні матеріали: конспект лекцій. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2012. – 90 с.

МВ 02070855- -2012

Конспект лекцій містить основні положення порошкової металургії: методи одержання порошків, методи формування порошкових виробів, спікання і кінцева обробка порошкових виробів. Розроблений відповідно до робочої програми навчальної дисципліни.

Призначений для підготовки бакалаврів за напрямом 6.050504 – «Зварювання».

УДК 621.762

ББК 34.39

МВ 02070855- -2012 © Гнилиця І. Д., Криль Я. А., Цап. І. В.

© ІФНТУНГ, 2012

Відповідальний за випуск,

завідувач кафедри зносостійкості

та відновлення деталей Я. А. Криль

Член експертно-рецензійної комісії університету І. В. Костриба

Нормоконтролер Г. Я. Онуфрик

Інженер І категорії НТБ Л. З. Костюк

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………….

1 КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКІВ. МЕХАНІЧНІ МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКІВ……….

2 ДИСПЕРГУВАННЯ РОЗПЛАВІВ………………………….

3 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКІВ

4 ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКІВ ТУГОПЛАВКИХ І НЕМЕТАЛЕВИХ СПОЛУК…………………………………..

5 ХІМІЧНІ І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОРОШКІВ............

6 ТЕХНОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОРОШКІВ…………..

7 ПІДГОТОВКА ПОРОШКІВ ДО ФОРМУВАННЯ………...

8 ПРЕСУВАННЯ В МЕТАЛЕВИХ ПРЕС-ФОРМАХ………

9 ІЗОСТАТИЧНЕ ФОРМУВАННЯ…………………………..

10 ГАРЯЧЕ ПРЕСУВАННЯ…………………………………..

11 ШЛІКЕРНЕ ФОРМУВАННЯ……………………………...

12 ПРОКАТУВАННЯ МЕТАЛЕВИХ ПОРОШКІВ. МУНДШТУЧНЕ ТА ІНЖЕКЦІЙНЕ ФОРМУВАННЯ ……..

13 СПІКАННЯ. ПРАКТИКА СПІКАННЯ…………………...

14 ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ СПІКАННЯ………………………...

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………...

4

5

14

22

28

34

41

44

48

54

59

63

67

71

77

90

ВСТУП

Порошкова металургія – область науки і техніки, яка охоплює виробництво порошків матеріалів і отримання виробів з них.

Розвиток значної частини сучасних технологій пов’язаний з використанням нових матеріалів, які мають недосяжні раніше структуру і властивості. У свою чергу виробництво таких матеріалів внаслідок особливостей хімічного зв’язку в них найчастіше пов’язано з використанням технологій порошкової металургії.

У загальному випадку послідовність технологій виготовлення виробів методами порошкової металургії включає такі етапи:

1. одержання порошків металевих, металоподібних і неметалевих сполук;

2. підготовка вихідних порошків;

3. підготовка порошкових сумішей (підготовка шихти);

4. формування порошкових виробів;

5. спікання сформованих заготовок;

6. кінцева механічна та інша обробка порошкових виробів.

Розвиток порошкової металургії продовжується як у напрямку вдосконалення існуючих і розробки нових технологічних процесів виготовлення порошкових виробів, так і у напрямку створення нових матеріалів з новою структурою і властивостями.

1 Класифікація методів одержання порошків. Механічні методи одержання порошків

Порошок – сукупність частинок матеріалу (формально розмірами до 1 мм.), які перебувають у взаємному механічному контакті, але не мають між собою фізичних зв’язків.

Для виробництва порошків різних матеріалів залежно від природи цих матеріалів використовують такі методи одержання порошків:

1)механічні методи:

• подрібнення і розмелювання компактних матеріалів (розмелювання у кульових, вібраційних, планетарних, вихрових, молоткових млинах та атриторах, подрібнення у щокових, валкових, конусних дробарках);

• диспергування розплавів;

• грануляція розплавів;

• обробка компактних матеріалів різанням;

2)фізико-хімічні методи:

3)хімічне відновлення;

• електроліз водних розчинів або розплавів солей;

• термічна дисоціація карбонілів;

• термодифузійне насичення;

• випаровування і конденсація;

• міжкристалічна корозія;

4)методи одержання порошків тугоплавких металоподібних і неметалевих сполук:

• пічний синтез;

• самопоширюючийся високотемпературний синтез;

• плазмохімічний синтез;

• газофазні методи синтезу.

Механічне подрібнення компактних матеріалів набуло широкого розповсюдження в порошковій металургії. Під подрібненням розуміють зменшення початкового розміру частинок матеріалу шляхом їх руйнування під дією зовнішніх сил, які перевищують внутрішні сили щеплення.

При подрібненні твердих тіл затрачувана енергія витрачається на пружну та пластичну деформацію, на виділення теплоти і утворення нових поверхонь. Процес деформації твердих тіл полягає у тому, що під дією зовнішніх сил в найбільш слабких місцях тіла утворюються замкнуті або з початком на поверхні тріщини. При припиненні зовнішнього впливу тріщини під дією молекулярних сил можуть змикатися (“самозаживлятися”) і тоді тіло піддається тільки пружній деформації. Руйнування спостерігається у тому випадку, коли тріщини збільшуються настільки, що перетинають тверде тіло по всьому перерізу в одному або кількох напрямках. У момент руйнування напруження в твердому тілі перевищують границю міцності матеріалу, пружна деформація переходить в деформацію руйнування і відбувається подрібнення.

Згідно з теорією подрібнення, запропонованої П. А. Ребіндером, робота, яка витрачається на подрібнення, в загальному випадку являє собою суму S+KV. Складова S являє собою енергію, яка витрачається на утворення нових поверхонь розділу при руйнуванні твердого тіла ( – питома поверхнева енергія, тобто енергія одиниці площі поверхні тіла, а S – приріст площі поверхні при подрібненні, тобто різниця площі поверхні після і до подрібнення). Складова KV виражає енергію деформації (K – робота пружної і пластичної деформації на одиницю об’єму твердого тіла, а V – частина об’єму тіла, яка піддалась деформації). При крупному подрібненні новоутворена поверхня невелика, оскільки отримувані частинки великі за розмірами. У зв’язку з цим S набагато менше за KV і витрати енергії на подрібнення приблизно пропорційні об’єму тіла, яке руйнується. При тонкому подрібненні площа новоутвореної поверхні дуже велика і S набагато більше за KV, тому витрати енергії приблизно пропорційні площі новоутвореної поверхні.

Власне робота подрібнення завжди нескінченно мала, оскільки вся енергія подрібнювального пристрою затрачається на деформацію подрібнюваного тіла і на утворення теплоти. Коефіцієнт корисної дії будь-якого пристрою для подрібнення дуже низький.

Подрібнення в кульових млинах є одним з найбільш поширених і простих методів одержання порошків. Основним елементом кульового млина є циліндричний барабан, в який завантажується порошок, що потребує подрібнення, і розмольні тіла (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема кульового млина

1 – барабан; 2 – валки рольганга; 3 – електродвигун;

4 – механічна пасова передача; 5 – розмольні тіла.

Розмольні тіла (металеві, твердосплавні або керамічні кулі), завантажені в циліндричний барабан, який обертається відносно горизонтальної осі, підіймаються в напрямі обертання під впливом відцентрової сили і сили тертя по внутрішній поверхні барабана до того часу, поки кут підйому не перевищить кут природного нахилу.

При повільному обертанні барабана кулі піднімаються на невелику висоту і, досягнувши верхньої точки, ковзають і скочуються один по одному вниз. При такій траєкторії руху куль вони спричиняють, в основному, стираючу дію на матеріал, що подрібнюється.

Зі збільшенням швидкості обертання кулі піднімаються на більшу висоту і, падаючи, викликають подрібнювальний ефект завдяки удару.

На відміну від кульових млинів у вібраційних забезпечується швидке і тонке подрібнення матеріалів. В них з успіхом отримують дисперсні порошки з крихких тугоплавких сполук (карбіди, нітриди, бориди, силіциди, оксиди), а також порошки пластичних алюмінію, бронзи, сталей.

Основним елементом вібраційного млина є дебалансний вал вібратора, який визначає коливний рух в площині перпендикулярній до осі закріпленого на пружинах барабана (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема вібраційного млина

1 – корпус з водяним охолодженням; 2 – дебалансний вал вібратора; 3 - опори пружинні; 4 - рама; 5 – електродвигун приводу; 6 – муфта еластична; 7 - тіла розмольні; 8 - люк завантажувальний.

В барабан завантажуються розмольні тіла і матеріал, що подрібнюється. Заповнення барабану розмольними тілами, як правило, складає 75-80 %, а об’єм матеріалу не повинен перевищувати об’єму простору між кулями.

У процесі роботи млина матеріал і розмольні тіла одержують імпульси від стінок барабана і здійснюють складний поступально-обертальний рух. При цьому кінетична енергія куль значно вища, ніж у кульових млинах.

Ударний імпульс окремої кульки у вібраційному млині у порівнянні з таким самим у кульовому млині відносно незначний. Однак, завдяки великій кількості розмольних тіл в одиниці об’єму і високій частоті імпульсів, забезпечується інтенсивне подрібнення матеріалу. В основному, подрібнення матеріалу відбувається за рахунок стираючої дії куль.

Для одержання дисперсних порошків і інтенсифікації розмолу застосовують планетарні млини, в основі конструкції яких закладений планетарний механізм (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Схема планетарного млина

1 - основа; 2 – кожух захисний звукоізоляційний; 3 - шестерня-сателіт барабана; 4 - колесо зубчасте нерухоме; 5 - барабан розмольний; 6 - передача пасова; 7 - електродвигун; 8 - корпус диференціального механізму.

Корпус диференціального механізму являє собою дискову конструкцію з нерухомим зубчастим колесом, навколо якого розміщені 4 підшипникових вузли для кріплення шестерень-сателітів, зі співвісно закріпленими розмольними барабанами. Обертання на барабани передається від електродвигуна через пасову передачу - корпус - шестерня-сателіт - барабан. Барабани обертаються разом з корпусом і одночасно навколо своєї осі.

Під час руху барабана розмольні тіла розміщуються в об’ємі сегмента, форма і положення якого не змінюється в часі. В сегменті відбувається циклічний рух. Під час руху барабана біля його стінки утворюється рухома маса куль. Крім того, кожна куля рухається по колу, центром якого є вісь барабана. При досягненні зони “відриву” кулі починають перекочуватися в сегменті і обертаються навколо центрів, що сприяє подрібненню матеріалу за рахунок механізму стирання.

У робочій камері вихрового млина (рисунок 1.4) один навпроти одного розміщені два пропелери, які обертаються у протилежних напрямках за високої ( 3000 об/хв.) і рівної частоти обертання.

Рисунок 1.4 – Вихровий млин

1 – робоча камера; 2 – пропелери; 3 – бункер; 4 – насос;

5 – приймальна камера; 6 – камера відстоювання порошку

Матеріали для подрібнення з бункера потрапляють у вихрові потоки, які створюються пропелерами, стикаються один з одним і подрібнюються. За допомогою насоса у робочу камеру подається газ (повітря, азот) за допомогою якого вже подрібнені частинки видаляються з робочого простору млина і потрапляють у камеру відстоювання порошку. Швидкість вхідного газового потоку регулюють таким чином, щоб з робочої камери вихрового млина видаляти частинки певних розмірів (найчастіше в інтервалі 50-350 мкм).

Для подрібнення губчастих матеріалів, наприклад спечених залізних порошків, отриманих відновленням, або катодних відкладень після електролізу застосовують молоткові млини (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Молотковий млин

1 – станина; 2 – електродвигун; 3 – муфта; 4 – підшипник; 5 – корпус млина; 6 – молоток; 7 – вихідний матеріал; 8 – защіпка; 9 – вал; 10 – сито; 11 – подрібнений матеріал

Одним з різновидів кульових млинів є атритори (рисунок 1.6), які являють собою вертикально розміщений нерухомий барабан всередині якого з швидкістю 100 і більше об/хв. обертається вертикальний лопастний змішувач.

Рисунок 1.6 – Схема атритора

1 – робочий об’єм; 2 – водо охолоджуваний корпус; 3 – вал змішувача; 4 – матеріал, який подрібнюється; 5 – розмольні тіла; 6 – лопаті

Атриторні млини конструктивно прості, зручні у використанні і дозволяють отримувати порошки з більш рівномірним розподілом частинок за розмірами. Необхідний ступінь подрібнення досягається у кілька разів швидше ніж у кульових млинах.

Подрібнення у різного роду дробарках може бути або самостійною операцією технологічного процесу або додатковою операцією при інших способах виготовлення порошків.

Щокові дробарки для первинного подрібнення скельної сировини (щільні вапняки і мергелі) потужністю до 500 т/год застосовують на цементних заводах при виготовленні портландцементу. Недоліком таких щокових дробарок є малий ступінь подрібнення матеріалу – до 3-4.

Щокові дробарки знайшли застосування на підприємствах з виробництва різного роду будівельних матеріалів та сумішей. Їх також застосовують у вапнякових кар’єрах підприємств чорної металургії.

Щокові дробарки на підприємствах порошкової металургії застосовують для подрібнення спеченої губки після відновлення, електродних відкладень після електролізу та ін.

Розмол матеріалу у щокових дробарках підприємств порошкової металургії до розміру частинок 1-4 мм відбувається завдяки роздавлюванню матеріалу між однією рухомою щокою та іншою нерухомою, закріпленою на корпусі дробарки.

На рисунку 1.7 представлені найбільш поширені кінематичні схеми щокових дробарок.

Рисунок 1.7 – Кінематичні схеми щокових дробарок

1 – плита нерухома, 2 – плита рухома, е – ексцентриситет;

а – верхній підвіс і вертикальний шатун; б – верхній підвіс і вертикальний шатун на ексцентриковому валі; в – верхній підвіс і горизонтальний шатун на ексцентриковому валі; г – нижній підвіс і вертикальний шатун; д – нижній підвіс і горизонтальний шатун; е – верхній підвіс двохсторонньої щоки і вертикальний шатун.

Подрібнення частинок до розмірів 0,5-1 мм забезпечують валкові дробарки, які мають два валки (гладкі, рифлені, зубчасті), що обертаються один назустріч одному від окремих приводів з коловою швидкістю 2-4 м/с. Різниця швидкостей обертання валків може коливатись у межах 2-20 %.

В конусних дробарках подрібнення матеріалу здійснюється у кільцевій порожнині між робочою частиною поверхні конуса і відповідною частиною внутрішньої поверхні корпуса дробарки.