Основы технологии порошковой металлургии

Порошковая металлургия (ПМ) охватывает производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей и композиций с неметаллами.

С помощью ПМ решаются две задачи:

1) изготавливаются материалы и изделия с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства;

2) изготавливаются материалы и изделия с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы другими способами производства.

Технологический процесс ПМ состоит из трех стадий:

1) производство металлического порошка;

2) придание ему требуемой формы (формование);

3) нагрев заготовки (спекание).

Часто спеченные детали подвергают дополнительной обработке, улучшая их свойства.

Для производства порошков используют две группы методов: физико-химические (восстановление металла из его соединений, электролиз, термическая диссоциация и др.) и механические (измельчение твердого или распыление жидкого металла).

Восстановителями являются газы (водород, оксид углерода и газы, содержащие одновременно СО и Н₂: генераторный, природный, коксовый, доменный), твердый углерод (сажа, кокс, древесный уголь) и некоторые металлы (кальций, магний, натрий, аммоний) или их соединения (например, гидрид кальция). Процессы идут в печах различных конструкций при температуре 550-900ºС.

Суть процесса электролитического получения металлических порошков заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или его расплавленных солей при пропускании через них постоянного электротока и последующем разряде соответствующих ионов металла на катоде. Таким образом, получают порошки меди, никеля из сернокислых водных растворов, серебра из азотнокислого раствора.

Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов – кремний, бериллий, сурьма, хром, марганец, ферросплавы. Размол с получением частиц порядка нескольких десятых или сотых миллиметра проводят в шаровых, вибрационных, молотковых мельницах.

Далее на ситах порошки делят на фракции и отправляют в смесители, где происходит перемешивание порошков, отличающихся химическим составом или размером частиц, и обеспечивается однородность смеси. Для этого используют барабанные лопастные, центробежные, роторные смесители.

Основным способом формования является, прессование порошков в пресс-форме. Простейшая из них состоит из матрицы и двух пуансонов, к одному из которых или к обоим сразу прикладывают усилие, обеспечивающее уплотнение порошка в заготовку.

Прессование зачастую не обеспечивает изготовления многих сложных на конфигурации изделий. Поэтому применяют другие методы формования.

Суть гидростатического метода в том, что порошок засыпают в резиновую или эластичную оболочку и помещают в камеру, гидростата в которой жидкостью (вода, масло, глицерин) создают давление. При уплотнении почти отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, т.к. те из них, которые прилегают к ней, перемещаются вместе с оболочкой. Плотность заготовки почти однородна во всем объеме. Таким образом получают трубы, шары, турбинные лопатки двигателей и другие изделия сложной формы, масса которых может быть от нескольких грамм до сотен килограммов.

Имеется возможность получать заготовки из порошка без приложения внешнего давления. Это шликерное формование, при котором концентрированную взвесь порошка в жидкости (вода, спирт) (шликер) заливают в простую форму. Механизм формования заключается в осаждении частиц на стенках формы под давлением, направленных к ним потоков жидкости. Эти потоки возникают в результате впитывания жидкости в поры гипсовой формы, под влиянием разрежения, создаваемого за перфорированной стенкой стальной формы или пористой стенкой формы из стеклянного порошка. После извлечения заготовки ее сушат на воздухе или в сушильных шкафах при 110-150 ⁰С.

Наиболее отличительной чертой импульсного формования является очень высокая скорость приложения нагрузки к порошку. В качестве источника энергии используют заряд взрывчатого вещества, вибрацию, импульсное электромагнитное поле сжатый газ, называя формование соответственно взрывным, вибрационным, электромагнитным.

Спекание заготовок. Обычно температура спекания составляет 70-90 % температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента, входящего в состав материала, а выдержка – от нескольких минут до нескольких часов. Полно и быстро проходит спекание в вакууме.

Хорошие результаты могут быть достигнуты при совмещении операции прессования и нагрева порошка. Такой процесс называют горячим прессованием. Он позволяет использовать увеличение текучести металлов для получения малопористых изделий при сравнительно небольших давлениях. Это особенно важно при изготовлении изделий из малопластичных или хрупких компонентов типа карбидов, боридов.

Для спекания используют печи разнообразной конструкции.

Изделия, полученные методами ПМ, нашли широкое применение в различных отраслях.

Изделия, полученные из порошков тугоплавких металлов и их сплавов (вольфрама, молибдена), тантала, ниобия, циркония, нашли применение в производстве осветительных ламп, приборов, электровакуумного оборудования. Порошки карбидов, боридов, нитридов, обладающих высокой твердостью, жаростойкостью используют для изделий электротехники, металлургии, химической промышленности. Порошки нашли широкое применение при производстве композитов, в производстве твердых сплавов для металлообработки, фильтров.

Широкое применение в авиа- и автомобилестроении, химической, атомной и других отраслях нашли пористые самосмазывающиеся подшипники. Расширяется применение фрикционных материалов, обладающих высоким и стабильным коэффициентом трения. Их применяют в тормозных устройствах самолетов, тепловозов, тракторов, автомобилей.

Порошковые электротехнические материалы и изделия получили распространение в электро-, машино-, аппаратостроение, автоматике, телемеханике, электро- и радиотехнике, радиоэлектрике. Широко применяют изделия, полученные порошковой металлургией для антикоррозионных покрытий.