ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Порошковой металлургией, или металлокерамикой, назы­вают процесс, заключающийся в прессовании порошка металла и последующей термической обработке (так называемом спе­кании) при температуре ниже точки плавления металла.

Термин «металлокерамика» основан на сходстве технологии порошковой металлургии и керамического производства. Тер­мин «порошковая металлургия», в свою очередь, несколько неточен, так как металлокерамика - отрасль не металлургии, а металлообработки.

Применение методов порошковой металлургии в технологии редких металлов обусловлено возможностью изготовлять » компактном виде такие металлы, которые затруднительно по­лучать методами плавки. В СССР порошковая металлургия по­лучила промышленное распространение в 1928-1930 гг. при разработке технологии вольфрама и молибдена. Порошковая металлургия позволяет получить бериллий с мелкозернистой структурой и удовлетворительными механическими свойствами, чего нельзя добиться методами плавки. Этот метод широко используют в производстве тугоплавких металлов (Ta, Nb).

. Метод порошковой металлургии позволяет получать чрезвы­чайно жаростойкие и коррозионно устойчивые металлические композиционные материалы, упрочненные стабильными дисперс­ными частицами окислов, карбидов, боридов, силицидов.

Металлокерамическая технология включает следующие эта­пы: 1) получение порошков, 2) составление шихт, 3) формова­ние заготовок (брикетов); 4) спекание; 5) обработку спеченных заготовок в изделия.

Для производства металлических изделий используют поро­шок металла. Металлическая губка, полученная методом метал­лотермии, для этих целей непригодна. Измельчить губку, не­посредственно в порошок невозможно из-за ее пластичности, поэтому ее предварительно переводят в гидрид. Металл, со­держащий значительное количество водорода, становится хрупким и может быть измельчен в молотковых, шаровых виб­рационных мельницах и т. д.

При прессовании и спекании измельченного порошка боль­шое значение имеет его гранулометрический состав. Приняты следующие категории порошков по крупности, мкм:

Для разделения металлических порошков на фракции по размеру частиц применяют обычную аппаратуру: сита, воздуш­ные сепараторы. Форма частиц очень разнообразна. В зависи­мости от способа получения они могут быть сферическими, каплеобразными, дендритными, тарельчатыми и т. д.

Различные структуры металлических порошков можно от­нести к трем основным группам: а) волокнистые или игольчатые частицы; б) плоские, типа пластинок; в) равноосные, с пример­но одинаковыми размерами по всем измерениям.

Частицы порошка отделены одна от другой межчастичными порами и контактными промежутками. Порами называют пу­стоты, через которые не могут передаваться механические на­пряжения, т. е. поперечник которых больше радиуса действия молекулярных сил. Размер контактных промежутков меньше радиуса действия сил сцепления. Объем пор в непрессованных порошках достигает 70-85%. Размер межчастичных пор имеет порядок размера частиц порошка, но встречаются поры, во мно­го раз превышающие размер частиц.

Кроме межчастичных пор порошки могут иметь и внутричастичные поры, наличие которых определяется методом полу­чения порошка. Удельная поверхность порошков измеряется десятками и сотнями квадратных метров на 1 г. Поверхность соприкосновения частиц в непрессованных порошках составляет меньше 0,001% всей поверхности частиц.

Для порошковой металлургии очень важно понятие контакт­ной поверхности, которая определяется величиной участков поверхности соприкасающихся частиц, разделенных промежут­ками, поперечные размеры которых не превышают радиуса действия молекулярых сил. Сущность получения металлокерамического изделия состоит в увеличении контакта между части­цами. Это достигается двумя: путями: в результате деформации частиц внешними силами (прессование) и вследствие стягива­ния атомов металла к контактным участкам, вызванного соб­ственной подвижностью атомов при повышенной температуре (спекание).

Прессование. Контактная поверхность возрастает в резуль­тате деформации под давлением, нормальным к поверхности раздела соприкасающихся тел. Порошковый металл может при прессовании уплотняться в результате как смещения частиц и заполнения ими пор, так и деформации отдельных частиц. Де­формация частиц, пластическая или хрупкая, происходит прежде всего в местах контактов. Необходимо, чтобы возникающие на контактах напряжения превышали предел текучести (в слу­чае пластичного) или предел прочности (в случае хрупкого) материала. Деформация частиц порошка сопровождается меха­ническим зацеплением частиц друг за друга благодаря поверх­ностным выступам и неровностям. Механическое зацепление частиц растет почти пропорционально поверхности их взаимного контакта, а эта поверхность изменяется примерно пропорционально давлению.

Затрата давления на прессование порошка складывается из трех частей: основная составляющая - это давление, требующееся для уплотнения порошка при равномерном распределении давления и плотности, затем поте­ря давления на внешнее трение частиц о стенки пресс-формы, и, наконец, по­вышенное удельное давление, вызван­ное неравномерным распределением давления и плотности в разных местах загрузки.

Рис. 81. Схема пресс-форм для прессов с односторон­ним (а) и двусторонним (б) давлением: 1 - пуансон: 2 - матрица: 3 - прессовка: 4 - подставка.

В результате прессования получают полуфабрикат - так называемую прес­совку или штабик с размерами и фор­мой, необходимыми для получения готовых изделий. Прочность полученных прессовок должна быть достаточной, чтобы они не разламывались при загрузке в аппа­рат для спекания.

Поскольку форма и размер изделий целиком определяются возможностями прессования, этот процесс и лимитирует возмож­ности процесса металлокерамики.

Порошки прессуют на гидравлических или механических прессах в стальных закаленных пресс-формах. Давление, необ­ходимое для создания достаточной контактной поверхности, достигает 7-8 тс/см², в зависимости от крупности порошка. Для улучшения прессования путем снижения трения между части­цами между пресс-формой и штабиком применяют смазку: бензин, растворы парафина в бензине или глицерина в спирте.

Пресс-форма состоит из матрицы, которая служит для фор­мирования боковой поверхности прессовки и вмещения порошка и пуансона - подвижной части для обжатия порошка. Пресс-форма для процессов с односторонним давлением имеет один пуансон, для прессов с двусторонним давлением - два пуансо­на: верхний и нижний (рис. 81).

При расчете размера пресс-формы основной величиной яв­ляется степень уплотнения, т. е. отношение плотности шгабика к насыпному весу порошка.

Прессование всегда начинается с малого давления и дости­гает заданного рабочего к концу процесса. Удельное боковое давление на 1 см² боковой поверхности прессовки составляет обычно 25-35% удельного давления прессования.

Применяемое давление зависит от крупности порошка, его твердости, пористости, размеров прессовки и т. д., однако оно не должно превышать 8-10 тс/см², в противном случае порошок прессуется неравномерно. Так как при прессовании порошки подвергаются также упругой деформации, брикет после осво­бождения из пресс-формы несколько увеличивается в размере из-за так называемого упругого последействия.

Полученный в результате прессования штабик (прессовка) имеет плотность 50-60% плотности плавленого металла. Кон­тактная поверхность в результате прессования возрастает в 10³-10⁶ раз.

Спекание является второй стадией получения металлокерамического изделия. Оно проводится при температуре на 100-150°С ниже температуры плавления металла.

В процессе спекания вследствие перемещения частиц и пе­реноса вещества из различных участков частиц к порам проис­ходит уменьшение общей пористости, или уплотнение, брикета, а также сглаживание внутренней поверхности пор.

С повышением температуры положение атомов в решетке становится менее устойчивым, амплитуда колебаний атомов увеличивается и возрастает количество атомов, переходящих из одного узла решетки в другой того же самого или соседнего кристалла.

Различные атомы кристалла обладают разной подвижностью. Атомы на поверхности окружены меньшим количеством притя­гивающих их соседних атомов, чем внутри кристалла, а чем меньше количество соседних атомов, тем меньше энергия акти­вации и тем больше подвижность атомов. Наименее подвижны атомы, лежащие внутри кристалла и внутри контактных участ­ков поверхности. В процессе спекания под влиянием повышенной температуры, усиливающей подвижность атомов, повышается контактное сцепление и тем самым упрочняется весь брикет.

Спекание сопровождается также некоторыми другими процес­сами. В результате спекания снимаются остаточные напряже­ния, бывшие в местах контакта. Благодаря росту зерен через контактные участки происходит рекристаллизация металла.

Спекание обязательно проводят в вакууме или в атмосфере проточного инертного газа, чтобы предохранить изделие от окис­ления.

При спекании происходит удаление примесей. Содержание примесей, преимущественно поверхностных, в металлических по­рошках может достигать 5-10об. %. Главные примеси - окис­лы металлов, вода, адсорбированные и растворенные газы. В процессе спекания испарение воды заканчивается при 150-200° С, при этой же температуре улетучивается главная часть адсорбированных газов. Растворенные и химически связанные газы удаляются при нагреве в вакууме при значительно более высокой температуре. Кислород окислов удаляется при вакуум­ном спекании в результате диссоциации окислов на газ и металл. В процессе спекания удаляется также смазка.

Продолжительность процесса спекания обычно составляет несколько часов.

Для спекания применяют специальные печи, в которых на­грев осуществляется электрическим током, пропускаемым непо­средственно через спекаемое изделие. Спеченный металл уже не является конгломератом обособленных частиц, а становится, как и литой металл, конгломератом зерен (кристаллов). Плотность полученной монолитной массы составляет 95-98% плотности плавленого металла.

Одним из видов спекания является горячее прессование. Б этом методе процессы прессования и спекания объединены. Горячее прессование проводят при температуре, равной 0,5-0,8 температуры плавления. При использовании горячего прессова­ния для тугоплавких карбидов, боридов и т. д. (1000-2500° С) применяют графитовые пресс-формы, нагреваемые пропусканием электрического тока или индукционным способом. При горячем прессовании можно получить материал с плотностью, близкой к теоретической. Однако выбор материала для пресс-форм, рабо­тающих при высоких температурах, очень ограничен.