ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Среди имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, т.к. позволяет не только производить изделия (называемые спеченными) различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным путем крайне трудно или вообще невозможно. Она успешно конкурирует с литьем, обработкой давлением, резанием и другими методами, дополняя или заменяя их.

Честь и заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее в особый технологический метод принадлежит русским ученым Петру Григорьевичу Соболевскому и Василию Васильевичу Любарскому, которые 26 мая 1826 года изготовили первые промышленные изделия, применив прессование и спекание платинового порошка.

Организовав выпуск платиновых монет, тиглей и других изделий, П. Г. Соболевский и В. В. Любарский на два года опередили англичанина Волластана, предложившего в 1828 году аналогичный способ получения компактной платины.

Основным сырьем порошковой металлургии являются порошки чистых металлов и сплавов, а также порошки неметаллических элементов. Порошковая металлургия – один из наиболее прогрессивных процессов превращения металла в изделие, с помощью которого обеспечиваются свойства изделия, полученного традиционными методами, или свойства, которые не могут быть достигнуты при использовании иных технологических процессов.

Применение технологических процессов порошковой металлургии при изготовлении деталей и изделий различного назначения позволяет резко повысить коэффициент использования металла (КИМ) – до 96 – 98 % за счет сокращения отходов при обработке, а также возможного передела отходов в исходный материал (порошок); во многих случаях заменить дефицитные и дорогостоящие металлы и сплавы менее дефицитными и дорогими, понизить энергоемкость и трудоемкость производства, а следовательно, уменьшить себестоимость готовой продукции без снижения, а в ряде случаев – даже при повышении ее эксплуатационных свойств.

Термины и определения порошковой металлургии регламентированы ГОСТ 17359 – 82. В настоящем разделе приводятся только основные термины, необходимые для обсуждения материалов и их характеристик, приведенных ниже.

1. Металлический порошок (МП)–совокупность частиц металла, сплава и металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.

2. Прессуемость МП–способность МП образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, форму, плотность.

3. Формуемость МП– способность МП сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале значений пористости.

4. Формование металлического порошка– технологическая операция, в результате которой металлический порошок образует порошковую формовку. Формовка может осуществляться следующими методами:

· изостатическим – в эластичной или деформируемой оболочке в результате всестороннего сжатия в условиях нормальных или повышенных температур;

· импульсным – при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 с;

· мундштучным – продавливанием через отверстие, соответствующее по форме и размерам поперечному сечению порошковой формовки;

· шликерным – заполнением суспензией МП – шликером – пористой формы, обеспечивающей удаление жидкости из шликера;

· прессованием МП в пресс-форме, полость которой соответствует форме и размерам соответствующим, с учетом припусков, форме и размерам будущего изделия;

· прокаткой МП в прокатном стане или его штамповкой;

· экструзией МП.

5. Порошковая формовка– тело, полученное из МП и имеющее заданную форму, размеры и плотность.

6. Прессовка– порошковая формовка, полученная прессованием металлического порошка.

7. Спекание порошковой формовки или прессовки– нагрев и выдержка порошковой формовки (прессовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Спекание может проводиться как с появлением при спекании жидкой фазы (жидкофазное спекание), так и без нее (твердофазное спекание).

8. Порошковый материал – материал, изготовленный из МП или его смеси с неметаллическим порошком.

9. Порошковый твердый сплав – порошковый материал на основе металлоподобных твердых соединений с металлической связкой, обладающих твердостью свыше 80 HRA.

10. Порошковый тяжелый сплав – порошковый материал, имеющий плотность выше 16,5 т/м³.

11. Карбидосталь – порошковый материал, подвергшийся в отожженном состоянии обработке и состоящий из стали и карбидов с массовой долей от 20 до 70 %.

12. Кермет – порошковый материал, состоящий из тугоплавких оксидных соединений и тугоплавких металлов.

13. Фрикционный порошковый материал– порошковый материал для работы в тормозных и передаточных узлах машин и приборов.

14. Антифрикционный порошковый материал– порошковый материал для производства изделий, от которых требуются низкие потери на трение.

15. Конструкционный порошковый материал– порошковый материал для несущих деталей машин, приборов и механизмов.

16. Композиционный порошковый материал– порошковый материал, представляющий механическую смесь металлов или металлов и неметаллов, исключающих взаимную диффузию при спекании.

17. Пористый порошковый материал– порошковый материал» имеющий пористость, обеспечивающую его проницаемость при эксплуатации.

18. Порошковое изделие – изделие из металлического порошка.

19. Открытая пористость порошковой формовки – отношение объема пор, сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

20. Закрытая пористость порошковой формовки – отношение объема пор, не сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.

Для определения степени пористости порошкового изделия, доли закрытой и открытой пористости необходимо провести ряд обязательных процедур. На первой стадии требуется определить плотность порошкового изделия.

Для тел простой формы плотность определяют измерением объема и взвешиванием. Определение объема изделий сложной формы осуществляют методом гидростатического взвешивания. Исследуемое изделие взвешивается в этом случае дважды – на воздухе и погруженное в жидкость.

Если масса тела на воздухе равна m₁, в жидкости – m₂, то разность (m₁ – m₂) равняется массе вытесненной жидкости m_ж. Зная эти величины и плотность жидкости d_ж можно вычислить объем порошкового изделия: V = (m₁– m₂) / d_ж и его плотность: d_т = m₁ / V = m₁ d_ж / (m₁ – m₂).

Определив плотность порошкового изделия, можно вычислить его общую (суммарную) пористость П = (1– d_т / d_ж) 100 %, где d_т – плотность пористого тела: d_ж – плотность этого же тела в беспористом состоянии.

Для определения доли открытой и закрытой пористости в порошковом изделии используется метод, основанный на удалении газов в вакууме из порошковых изделий с последующей их пропиткой жидкостью известной плотности (маслом, ксилилом, бензоловым спиртом и т.п.). Расчет производится по формулам: П = [1 – (m₁ / (m₂ – m₃) d_к] 100 %, П = [(m₂ – m₁) d_ж] / [(m₂ – m₃) d_пж], П_зак = П – П_отк, где П, П_отк, П_зак – соответственно общая, открытая и закрытая пористость; m₁, m₂, m₃ – масса непропитанного и пропитанного образца на воздухе и масса пропитанного образца в жидкости; d_к, d_пж – плотность беспористого материала и пропитывающей жидкости.

Порошки чистых металлов и сплавов получают одним из следующих методов: химическим, электролитическим, механическим измельчением и распылением металлов и сплавов в жидком состоянии.

Механические методы получения порошков – это такие технологические процессы, при которых исходный материал в результате воздействия внешних сил измельчается без существенного изменения химического состава.

К ним относятся:

Дробление и размол – в качестве сырья используют стружку, обрезки и т.п. Этим методом получают порошки Fe, Cu, Mg, Cr, Al, стали и сплавов на основе Fe, т.е. хрупких материалов; пластичные материалы при этом методе, не дробятся, а раздавливаются.

Дроблением получают частицы размером примерно 150 мкм, а более мелкие получают размолом. Измельчение дроблением и размолом осуществляется в шаровых, вибрационных, струйных и вихревых мельницах.

Шаровая вращающаяся мельница представляет собой металлический цилиндрический барабан, внутри которого находятся размольные тела, чаще всего стальные или твердосплавные шары. При вращении мельницы шары поднимаются с барабаном (вследствие трения об его стенки) в направлении вращения до тех пор, пока угол подъема не превысит угол естественного откоса, после чего они скатываются или падают вниз и производят измельчение материала, истирая и раздрабливая его между поверхностями мельницы и шаров. Соотношение между дробящим и истирающим действиями шаров в мельнице в значительной степени определяется отношением диаметра (D) барабана к его длине (L). При D/L ≥ 3 – 5, преобладает дробящее действие, при D/L < 3 – истирающее.

На интенсивность и механизм размола решающую роль играют скорость вращения мельницы, число и форма размольных тел, объем загруженных материалов, продолжительность и скорость размола.

С увеличением скорости вращения мельницы в связи с ростом центробежной силы и с увеличением угла подъема шары будут падать вниз с большей высоты, производя, главным образом, дробящее действие. При дальнейшем увеличении скорости вращения центробежная сила может настолько возрасти, что шары будут вращаться вместе с мельницей и материал, следовательно, будет измельчаться незначительно.

Скорость, при которой шары под действием центробежных сил будут вращаться вместе с барабаном, называется критической скоростью: η_кр = 42,4/√D, где D – внутренний диаметр барабана мельницы в мм. Для повышения эффективности измельчения на практике обычно берут скорость вращения барабана мельницы, равную 75 – 80 % от η_кр.

На процесс измельчения большое влияние оказывают также масса шаров и соотношение между размерами шаров и кусков измельчаемого материала.

Обычно соотношение между массой размольных тел и измельчаемого материала составляет 2,5 – 12. При увеличении этого соотношения интенсивность размола увеличивается.

Коэффициент заполнения мельницы φ не должен превышать 0,4 – 0,5, т.к. при больших значениях φ шары сталкиваются друг с другом, теряя энергию, и не производят достаточно эффективного измельчающего действия. При меньшей загрузке резко снижается эффективность измельчения.

Диаметр шаров также оказывает влияние на процесс размола и по весьма приближенной оценке его максимальная величина должна быть в пределах d≤D/18 – D/24, где D – внутренний диаметр барабана мельницы, и составляет 25 – 40 мм.

Производительность шаровых мельниц во многом зависит от их размеров и характера измельчаемого материала. Чтобы интенсифицировать процесс размола, особенно в случае измельчения хрупких материалов, размол производят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала и обратному слипанию тонких частиц за счет диэлектрических свойств. Кроме того, проникая в микротрещины, жидкость создает большое капиллярное давление, что способствует измельчению.

Жидкость также уменьшает трение как между шарами, так и между частицами размалываемого материала, благодаря чему интенсифицируется их перемещение относительно друг друга. Количество жидкости должно быть таким, чтобы она смогла закрыть верхний уровень шаров в мельнице, обычно оно составляет 0,15…0,25 л жидкости на 1 кг размольных тел (шаров). В качестве жидкости используются спирт, ацетон, вода, жидкие масла и др.

Длительность размола колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Для предотвращения быстрого износа стенок барабана и загрязнения в результате этого размалываемого материала применяют футеровку внутренних поверхностей мельниц износостойкими материалами: марганцовистыми сталями, твердыми сплавами, наплавочными материалами и т.п.

Тем не менее в результате износа внутренних стенок мельниц и шаров в измельчаемый порошок происходит («натирание») попадание материала шаров и мельницы, которые потом удаляются. Для шаровых вращающихся мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50 – 100.

При режиме перекатывания измельчение осуществляется весьма тонко и размеры частиц составляют примерно 1 мкм, такой режим размола наблюдается, когда η не более 60 % η_кр. При больших оборотах имеет место режим свободного падения и размер частиц больше 1 мкм.

Наряду с шаровыми мельницами широко используют шаровые вибрационные мельницы, обеспечивающие быстрое и тонкое измельчение материалов. В частности, весьма эффективным оказывается их применение для измельчения карбидов Тi, W, Si, Cr, V и Б для производства твердых сплавов.

Другими способами механического метода получения порошков являются:

Распыление расплавленного металла – достаточно производительный метод, с помощью которого получают порошки Al, Pb, Zn, Sn, Cu, бронзы, латуни, ферросплавов, стали и Fe.

Грануляция – способ литья металла в воду, позволяющий получать грубые порошки Fe, Cu, Ag, Pb, Sn, Zn.

Обработка металлов резанием – способ получения порошков Mg, стали, латуни, бронзы, малокремнистого чугуна и т.п.

К химическим методам получения порошков относится восстановление оксидов и солей металлов твердыми или газообразными восстановителями, диссоциация карбонилов и неустойчивых соединений, металлотермия. Большую группу порошков – олово, серебро, медь и железо – получают методами электролитического осаждения металлов в виде порошка из водных растворов солей, а также электролизом расплавленных сред (тантал, ниобий, уран и др.).

Под физико-химическими методами подразумевают технологические процессы, обеспечивающие получение порошкообразных материалов посредством глубоких физико-химических превращений исходного материала. При этом конечный продукт – порошок, как правило, отличается от исходного материала по химическому составу.

К этому методу относятся:

1. Восстановление окислов или солей – один из наиболее распространенных и самых экономичных способов, особенно когда в качестве исходного материала используют руду, окалину и другие дешевые виды сырья; наиболее широко применяется для получения порошков Fe, Cu, Ni, Co, W, Mо, Ta, Zr и различных сплавов; позволяет легко регулировать при изготовлении размер и форму частиц порошка; порошки хорошо прессуются и спекаются.

2. Электролиз водных растворов и расплавленных сред – второй по значению (пособие способа восстановления ) способ; можно получать порошки почти всех металлов; получаемые порошки являются весьма чистыми, благодаря очистке от примесей в процессе электролиза, однако стоимость получаемых порошков очень высока из-за недостаточной производительности и больших затрат электроэнергии. Этим способом получают порошки Fe, Ni, Cu, Ta, Ti, To, Be, Ag, Cr, Mn и различных сплавов на основе Fe, Ni, Cu.

3. Диссоциация карбонилов характеризуется тем, что получаемые порошки обладают высокой чистотой, но чрезвычайно дороги, применяют для производства карбонильных порошков Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W и легированных порошков Fe или Ni.

4. Конденсация – метод пригодный только для производства порошков металлов с невысокой температурой испарения – Zn, Mg, Cd и заключается в конденсации испаряемого металла на холодной поверхности.

5. Межкристаллитная коррозия – метод, применяемый в ограниченных размерах; наиболее разработан для получения порошков из нержавеющих и хромоникелевых сталей; заключается в растравлении межкристаллитных прослоек, в результате чего зерна (кристаллиты) теряют связь между собой.

Выбор метода определяется возможностью получения порошка необходимого качества и экономической целесообразностью применения того или иного метода. Наибольшее распространение получили химические методы и методы распыления, которые при минимальных затратах обеспечивают получение целой гаммы порошковых металлов и сплавов со свойствами широкого диапазона.

Возможность применения порошка для изготовления конкретных изделий определяется его свойствами, которые зависят от метода получения и природы металла порошка. Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами.

К технологическим свойствам, согласно ГОСТ 19440 – 94, относятся: насыпная плотность, представляющая собой массу единицы объема свободно насыпанного порошка; относительная плотность – отношение насыпной плотности и плотности металла в беспористом состоянии; текучесть – способность порошка заполнять определенную форму, выражающуюся через число граммов порошка, протекающего за 1 с через воронку с диаметром выходного отверстия (носика воронки) 2,5 мм; прессуемость (ГОСТ 25280 – 90) – способность порошка под давлением сжимающих усилий образовывать заготовку заданной формы и размеров (формуемость) с минимально допустимой плотностью (уплотняемость).

К физическим характеристикам порошков относятся форма и размер частиц порошков. Они могут резко различаться по форме (от нитевидных до сферических) и размерам (от долей до сотен и даже тысяч микрометров). Важная характеристика порошков – гранулометрический состав, под которым понимается соотношение количества частиц различных размеров (фракций), выраженное в процентах. Размеры частиц порошка обычно составляют 0,1 – 100 мкм. Фракции порошков размерами более 100 мкм называют гранулами, менее 0,1 мкм – пудрой. Определение гранулометрического состава может производиться с помощью просеивания порошка через набор сит (ГОСТ 18318 – 94). Этот метод применим к порошкам размерами более 40 мкм; для более дисперсных порошков применяется метод седиметации (ГОСТ 22662 – 77) и микроскопический анализ с помощью оптического или электронного микроскопа (ГОСТ 23402 – 78). Также к физическим характеристикам относится удельная поверхность порошков, под которой понимают суммарную поверхность всех частиц порошка, взятого в единице обьема или массы.

К химическим характеристикам относятся химический состав порошка (как порошка чистого металла, так и порошка сплава), определение которого производится по методикам соответствующих компактных (беспористых) металлов и сплавов.

К химическим характеристикам относят также пирофорность – способность порошка самовозгораться при соприкосновении с воздухом – и токсичность – ядовитость порошков. Если в компактном состоянии большинство металлов безвредны, то в порошковой форме, попадая в атмосферу помещений, они образуют аэрозоли, которые при вдыхании воздуха или приеме пищи могут вызывать болезненное состояние.

В соответствии с общепринятыми требованиями, порошковые материалы, выпускаемые по ГОСТ 9721 – 79, 9722 – 97, 9723 – 73, 9849 – 86 и др., имеют следующую маркировку: первая буква «П» означает порошковое состояние материала, вторая буква указывает на металлическую основу порошка. Кроме того, в марку порошка входят буквы и цифры, определяющие химический и гранулометрический составы, технологические свойства порошков, иногда особенности их производства.

Среди большого разнообразия производимых металлических порошков около 90 % мирового производства приходится на железные порошки и порошки сплавов, изготовленных на основе железа. В соответствии с ГОСТ 9849 – 86 железные порошки имеют марку: восстановленные – ПЖВ (например, ПЖВ2Л60.24), а распыленные – ПЖР или ПЖРВЗ. Буквенный индекс «З» в этой марке означает среду распыления – воздух, «ВЗ» – воду, последующие численные индексы. Широкое применение имеют порошки меди, никеля и других металлов. Согласно ГОСТ 4960 – 75 выпускаются и применяются следующие порошки меди: ПМА, ПМАу, ПМС–1у, ПМС–Н и т.д. Здесь в названии марок две первые буквы обозначают порошок медный (ПМ), следующие: С – стабилизированный, К – конопаточный, Н – низкодисперсный; индексы, в частности у, Н, В и др. – со специальными свойствами. В табл. 13 даны области применения этих порошков. Медный порошок не должен иметь посторонних примесей и комков и по цвету соответствовать образцу, согласованному изготовителем и потребителем. Удельное электрическое сопротивление медного порошка марки ПМА не должно превышать 25 мкОм м.

Таблица 13. Области применения медных порошков (ГОСТ 4960 – 75).

Никелевые порошки в промышленных масштабах получают двумя способами: карбонильным и электролитическим. На порошки обоих методов получения распространен ГОСТ 9722 – 97.

Также промышленностью России выпускаются следующие порошки цветных металлов: оловянный – ГОСТ 9723 – 73, кобальтовый – ГОСТ 9721 – 79, пудра алюминиевая – ГОСТ 10096 – 76, иридия – ГОСТ 12338 – 81, осмия – ГОСТ 12339 – 79, родия – ГОСТ 12342 – 81, рутения – ГОСТ 12343 – 79, цинка – ГОСТ 12601 – 76, палладия – ГОСТ 14836 – 82, ниобия – ГОСТ 26252 – 85, платины – ГОСТ 14837 – 79.

Кроме порошков чистых металлов выпускаются порошки высоколегированных сталей и сплавов – ГОСТ 13084 – 88 и порошки нержавеющих хромоникелевых сталей – ГОСТ 14086 – 68.

В зависимости от плотности и назначения порошковые материалы подразделяются на две группы: 1) плотные – материалы с минимальной пористостью, изготовленные на базе порошков железа, меди, никеля, титана, алюминия и их спла-вов; и 2) пористые, в которых после окончательной обработки сохраняется свыше 10 – 15 % пор по обьему. Первая группа материалов нашла широкое применение в машино- и приборостроении, автомобильной и авиационной технике и других отраслях оборонного и общегражданского производства. Высокая пористость материалов второй группы обеспечивает приобретение ими специальных свойств и позволяет применять их для изготовления специальных изделий (изделий антифрикционного назначения, фильтров, деталей охлаждения и т.п.). При производстве этой группы деталей применяются железографитовые материалы, бронзы, нержавеющие стали.

Особое значение имеют инструментальные порошковые материалы. К их числу относятся порошковые быстрорежущие стали, карбидостали, твердые сплавы, материалы на основе сверхтвердых соединений (нитридов, боридов и т. д.) и алмазные материалы.

Основным документом, регламентирующим марки и свойства применяемых в России конструкционных материалов на основе железа, является ГОСТ 28378 – 89. Согласно этому нормативному документу, все материалы на основе железа делятся на:

· стали малоуглеродистые, углеродистые и медистые;

· стали никельмолибденовые, медьникелевые, медьникельмолибденовые;

· стали хромистые, марганцовистые, хромникельмарганцовистые;

· стали нержавеющие, предназначенные для деталей, применяемых в различных отраслях техники.

Классификация порошковых сталей подчиняется тем же правилам, что и принятым для сталей традиционных методов получения. Однако в дополнение к обычным методам классификации – по равновесной структуре, по структуре, полученной при нагреве выше точки А_с охлаждении на спокойном воздухе и т.п. – для порошковых сталей существует еще один способ классификации. В зависимости от объемного содержания пор порошковые стали подразделяются на непроницаемые (содержание пор менее 5 – 8 %), полупроницаемые (от 8 до 14 % пор) и проницаемые (пористость более 12 – 14 %). По технологии производства их можно подразделить на: однократно и многократно прессованные в условиях статических нагрузок в закрытых пресс-формах при обычных и высоких температуpax; стали, полученные при совмещении холодного прессования и спекания высокопористых заготовок с последующим динамическим горячим прессованием или горячей штамповкой; полученные экструзией, прокаткой, взрывным прессованием и т.п.

Конструкционные порошковые стали – это спеченные материалы, используемые для замены литых и кованых сталей при изготовлении деталей машин и приборов методами порошковой металлургии. Условное обозначение таких материалов состоит из букв и цифр, например: сталь порошковая конструкционная медьникелевая со средней массовой долей углерода 0,4 %, никеля 2 %, меди 2 % и минимальной плотностью 6400 кг/м³ в соответствии с ГОСТ 28378 – 89 будет иметь следующее обозначение: ПК40Н2Д2–64.

Буквы в марке стали указывают: П – на принадлежность материала к порошковому, К – на назначение материала – конструкционный, остальные буквы и цифры – на содержание тех или иных легирующих элементов (Д – медь, Х – хром, Ф – фосфор, К – сера, М – молибден, Г – марганец, Т – титан, Н – никель). Основу материала – железо – в обозначении марок не указывают. Цифры, стоящие за буквами ПК, указывают на среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Массовую долю углерода, равную 1 %, в обозначении марки материала, согласно ГОСТ 28378 – 89, не указывают. Цифры, стоящие за остальными буквами, означают содержание легирующих элементов в процентах; отсутствие цифры указывает на то, что массовая доля легирующего элемента не превышает одного процента.

Условное обозначение конструкционного порошкового материала состоит из обозначения его марки – ПК40Н2Д2-64 и через дефис – его минимальной плотности – 6400 кг/м³.

Основой порошковых сталей служит железо, свойства которого при спекании оказывают большое влияние на формирование структуры и свойств стали. Наряду с порошковыми сталями порошковые изделия могут изготавливаться на основе одного железного порошка, а также железа, легированного другими элементами.

Применение в качестве исходного материала чистого железного порошка при изготовлении конструкционных деталей ограничено из-за низких прочностных свойств спеченного железа. В основном оно применяется для изготовления ненагруженных деталей, различных уплотнительных изделий и т.п. Свойства таких изделий зависят от их плотности, величины и характера межчастичных границ, метода получения порошка, гранулометрического состава, удельной поверхности частиц, внутренней их рыхлости, технологии прессования (величины давления и скорости прессования), кратности прессования, температуры и времени спекания.

Для получения практически беспористых изделий с повышенными механическими свойствами применяют горячее изостатическое прессование- экструзию, динамическое горячее прессование.

В связи с низкой прочностью и твердостью спеченного железа, для повышения его механических свойств в железный порошок при приготовлении порошковой смеси вводят легирующие добавки (фосфор, медь, хром, никель, молибден), а спеченные изделия подвергают химико-термической обработке: азотированию, сульфидированию, хромированию.

Медь в железные изделия вводят непосредственно в виде порошка или при изготовлении порошковой смеси в виде лигатуры. Введение меди в количестве 1,0 – 10 масс. % увеличивает предел текучести и временное сопротивление материала, но несколько снижает его пластичность и вязкость. Введение меди существенно повышает сопротивляемость порошкового материала атмосферной коррозии. Максимальная прочность на разрыв достигается при массовой доле меди 5 – 7 %. Медь снижает усадку материала при спекании. При введении 2 – 3 % меди спекание происходит практически без изменения размеров изделия, что позволяет избежать или существенно снизить объем его последующей механической обработки. Увеличение массовой доли меди свыше 3 % сопровождается ростом изделий при спекании, рост достигается при введении 8 % меди.

Широкое применение нашли железоникелевые и железоникельмедные сплавы. Присадка к чистому железу 5 % никеля повышает прочность и твердость материала, оставляя его пластичность практически без изменений. При одновременном легировании никелем и медью (Ni – 4 % и Си – 2 %) прочность на разрыв образцов с пористостью 10 % достигает 400 – 420 МПа, удлинение 7 –8 %, твердость 120 – 127 НВ. Такие же образцы, легированные только 2 % меди, показывают следующие свойства при 10 % пористости: прочность на разрыв 280 – 300 МПа, удлинение 3 – 4 %, твердость 100 НВ. Наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности наблюдается в сплавах содержащих от 1 до 5 % каждого из этих элементов.

В связи со сравнительно низкой прочностью и твердостью спеченных железных изделий, основная масса порошковых материалов на базе железа дополнительно легируется углеродом, под действием которого спеченное железо приобретает способность закаливаться и во много раз повышать свою твердость и прочность.

Углеродистые порошковые стали и стальные изделия могут быть получены непосредственным введением в железный порошок углерода в виде графита, сажи или чугунного порошка, а также путем науглероживания изделий в процессе спекания или цементации после спекания. Наиболее распространен метод введения в порошковую смесь графита. Однако из-за неравномерного распределения графита по объему смеси при смешивании стальные изделия в спеченном состоянии отличаются непостоянством свойств и структурных составляющих. Наиболее насыщенные углеродом микрообъемы аустенита располагаются вблизи графитовых включений, что способствует появлению в структуре спеченной стали свободного избыточного цементита и феррита в соотношениях, не соответствующих диаграмме состояния железо – углерод.

При спекании железографитовых изделий графит частично выгорает. Для уменьшения выгорания применяют графитосодержащие засыпки, углеродсодержашие среды. Кроме этого при приготовлении порошковой смеси в ее состав дополнительно вводят избыточное количество графита. Так, для получения стальных порошковых изделий с 0,4 – 0,45 % углерода при спекании в атмосфере конвертированного природного газа в смесь необходимо вводить до 0,85 % графита. При применении эндогаза с точно регулированным потенциалом по углероду содержание графита в смеси должно превышать заданное на 0,3 – 035 %. В связи с этим при приготовлении стальных изделий в порошковую смесь взамен графита зачастую вводят сажистое железо и порошок из чугунной стружки. Более высокая плотность сажистого железа и порошка чугунной стружки по сравнению с графитом позволяет получать более однородную смесь, что обеспечивает стабильность структуры и свойств изделия.

К основным факторам, определяющим структуру и свойства порошковых углеродистых сталей, относятся температура, время и среда спекания. При содержании в смеси до 1,0 – 1,2 % графита оптимальная температура спекания составляет 1150 – 1200 °С, при содержании графита выше 1,2 – 1,5 % – 1050 – 1150 °С. Время спекания определяется масштабом садки и массой изделия.

Медь в порошковые стали вводится в виде порошка чистой меди, омедненного графита, путем пропитки спеченных заготовок. В первых двух случаях при спекании медь, имея температуру плавления 1083 °С, находится в жидком состоянии и взаимодействует с железом, образуя твердый раствор замещения на основе a-железа с максимальной концентрацией меди в растворе до 8 %.

При содержании в стали до 1 % меди она способствует усадке при спекании, при дальнейшем повышении ее концентрации наблюдается рост спеченного изделия. Повышение в порошковых сталях углерода уменьшает влияние меди на рост спеченного изделия, что достигается образованием в структуре сплава тройной железомедноуглеродистой фазы, которая расплавляясь при 1100 °С, вызывает усадку. Введение углерода в железомедные сплавы также резко повышает прочность порошковых изделий, причем максимальное возрастание свойств наблюдается при содержании меди до 5 – 6 % и углерода до 0,3 – 0,6 %. Большое влияние на свойства спеченных изделий из медистой стали имеет метод введения меди. Более высокие свойства достигаются при использовании омедненного графита.

Введение никеля в порошковые стали приводит к повышению механических свойств материала, что связано как с повышением прочности феррита, так и благоприятным воздействием никеля на состояние межчастичных границ. Никель способствует «рассасыванию» межчастичных границ, увеличению протяженности металлического контакта, повышает усадку и плотность изделий. Никелевые порошковые конструкционные стали содержат обычно 0,3 – 0,6 % углерода и 1 – 3 % никеля. Увеличение содержания никеля понижает оптимальное содержание углерода. В связи с тем, что никель при спекании вызывает большую усадку, для получения безусадосньх изделий с высокими механическими свойствами порошковые стали легируют одновременно медью и никелем.

Легирование порошковых сталей молибденом производится только при изготовлении ответственных тяжелонагруженных деталей. В порошковые стали молибден вводится в количестве (0,2 – 1,0) % при изготовлении порошковой смеси в составе порошков, полученных распылением и другими методами, либо в виде лигатуры, реже в виде чистого порошка молибдена.

Введение хрома в порошковые стали положительно влияет на ее свойства. С железом хром образует α-γ-твердые растворы и интерметаллидные соединения, которые появляются в сплаве при содержании хрома свыше 30 %. Являясь сильным карбидообразующим элементом, хром образует в структуре стали сложные и двойные карбиды.

Отличительной особенностью хрома является высокая устойчивость его оксидов, температура диссоциации которых почти достигает температуры плавления чистого хрома. Это осложняет процесс спекания, особенно когда хром вводится в смесь в виде чистого порошка хрома. Наличие оксидов затрудняет диффузионные процессы, а само спекание необходимо производить при высоких температурах в остроосушенных восстановительных средах (водороде, диссоциированном аммиаке). Поэтому структура спеченных хромсодержащих сталей отличается повышенной гетерогенностью и наличием фаз, которые по среднему составу материала не отвечают равновесной диаграмме его состояния.

Ограниченное применение марганца в качестве легирующего элемента в порошковой металлургии связано с большой трудностью восстановления его оксидов, которые сохраняются в сплавах даже при спекании в вакууме и остроосушенных средах. Поэтому при изготовлении порошковых смесей марганец вводят в виде порошков ферросплавов–лигатур, а при спекании применяют остроосушенные среды и высокие температуры (1200 – 1280 °С).

К числу основных характеристик, определяющих возможность перевода изготовления деталей с традиционных технологий на порошковые, относятся точность производства и механические свойства порошковых материалов.

Точность изготовления порошковых деталей определяется в основном точностью прессового оборудования, стабильностью упругих последствий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износом пресс-форм, ростом линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении.

Точность размеров холоднопрессованных брикетов при уплотнении «по давлению» соответствует для высотных размеров 12 – 14 квалитетам, для диаметральных 6 – 8 квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров 12 квалитету, для диаметральных 8 – 11 квалитетам.

Спекание приводит к снижению точности изделия на 1 – 2 квалитета. Для повышения точности пористых конструкционных изделий применяют калибрование заготовки путем обжатия в калибровочных пресс-формах при припуске 0,5 – 1,0 %. Усилие калибрования составляет 10 – 25 % усилия холодного прессования. Упругое расширение после калибрования достигает 0,1 %.

Точность линейных размеров изделий после горячей штамповки в основном определяется точностью пресс-инструмента.

Механические свойства порошковых материалов определяются по ГОСТ 18227 – 85 («Материалы порошковые. Метод испытания на растяжение»), ГОСТ 18228 – 94 («Материалы металлические спеченные, кроме твердых сплавов. Определение предела прочности при поперечном изгибе»), ГОСТ 25698 – 83 («Порошковые изделия. Метод определения твердости»).

В табл. 14 приведена последовательность операций при получении деталей конструкционного назначения разной серийности, нагруженности и сложности.

Таблица 14. Основные технологические схемы получения порошковых изделий конструкционного назначения.

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: А – холодное прессование + спекание; Б – двойное прессование + спекание; В – холодное прессование + спекание + холодная штамповка + отжиг; Г – холодное прессование + спекание + горячая штамповка + отжиг; Д – шлифовка или доводка; Е – холодное прессование + пропитка легким металлом; Ж – спекание порошка в форме + пропитка легким металлом; И – пропитка кремнийорганической жидкостью и полимеризация; К – калибровка; М – механическая обработка; Н – холодное прессование + спекание + горячая штамповка с истечением металла + отжиг; П – нанесение покрытий; ТО – термическая обработка

Особенно велико значение порошковой металлургии в новых отраслях техники: атомной и химической промышленности, ракетной технике, реактивных двигателях, радио- и электротехнике, энергетической промышленности и в производстве особо жаропрочных сплавов.

Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении порошка, составлении шихты, прессовании и спекании.

Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков являются:

1) восстановление металлов из окислов;

2) механическое измельчение;

3) электролитическое осаждение;

4) распыление жидкого металла;

5) нагрев и разложение карбонидов.

Наибольшим распространением пользуются первые два метода.

Восстановление металлов из окислов широко применяется в производстве порошков тугоплавких редких металлов, вольфрама и молибдена, а также кобальта, никеля и железа. Руды редких металлов подвергаются сложной переработке и размолу для получения порошков окислов, которые восстанавли­ваются затем путем нагрева в газовой среде водородом, генераторным газом или твердыми восстановителями – сажей, коксом, графитом. Иногда применяется комбинированное восстановлена путем нагрева вместе с твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окислов позволяет получить очень мелкие и чистые порошки.

При механическом измельчении – размоле на шаровых, молотковых и особенно на вихревых мельницах – наиболее выгодным является использование металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола хрупких металлов – чугуна, закаленной стали, бронзы, окислов и др. Молотковые мельницы применяются для получения порошков алюминия и бронзы.

С 1930 г. начали широко применять вихревые мельницы, в которых измельчение производится ударами частиц металла друг о друга под действием воздушных вихрей. Вихревое дробление применяется для производства железных порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения, тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

Электролитическое осаждение применяется для производства порошков электроположительных металлов – меди и некоторых других металлов, например, титана, ванадия я других, а иногда также и железа.

Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного газа сначала применяли для производства порошков легкоплавких металлов – алюминия, олова и свинца. В настоящее время этим методом распыляют также расплавленные сталь и чугун.

Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей требуются порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров, наоборот, – шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше крупные порошки, особенно если среди них есть и мелкие частицы, а спекаются лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа: порошок просеивают через ряд сит со все более мелкими отверстиями и взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен опреде­ляют, рассматривая их под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется весом 1 см³ свободно насыпанного порошка. Он зависит от размера, формы и состояния поверхности его частиц и является очень важной его характеристикой.

При конструировании пресс-форм необходимо знать насыпной вес порошка, который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости матрицы и ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчающему или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.

Прессование. Для прессования применяют большей частью быстроходные легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в пресс-формах при давлении от 10 до 100 кГ/мм² (от 98 до 981 Мн/м²) в зависимости от твердости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.

Вследствие трения порошка о стенки пресс-формы процесс прессования получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются скачками. Важнейшую роль при сильных давлениях прессования играет пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение поверхности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой. Прочность прессования объясняется двумя причинами: атомарным схватыванием на кон­тактной поверхности – «зацеплениями», переплетением неровностей на поверхности частиц порошка.

В различных частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При последующем спекании усадка может оказаться неоднородной, и недопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходит лучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может, подобно жидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из порошковых сплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной формы.

Спекание. Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спекания медных сплавов, железа и фрикционных материалов применяют защитные атмосферы, получаемые при частичном сжигании газа. При спекании вольфрама, молибдена, твердых сплавов, магнитных и электротехнических материалов применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры плавления металла, например для меди 800 – 850° С, для железа 1050 – 1150° С. Длительность спекания примерно 2 – 3 ч. Различаются два основных типа спекания – спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной системы с образованием или без образования жидкой фазы. При спекании происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает подвижность атомов, происходит изменение контактной поверхности частиц, которая большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и жидкости, и результате контакт становится металлическим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений, происходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления, например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуется жидкая фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В результате получаются плотные детали. Иногда, например при производстве медновольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порош­ковый вольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание обычно сопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше температура спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей; поэтому детали, требующие высокой точности, например подшипники н зубчатые колеса, после спекания калибруют путем протягивания через сквозные прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания составляет 5 – 25 %, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5 – 2,5 %.

Горячее прессование, совмещающее прессование и спекание, благодаря ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5 – 10 % давления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее прессование позволяет получать детали более сложной формы и более точных размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится электрическим током.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций:

1. Получение порошков.

2. Подготовка порошков (отжиг, рассев и смешивание).

3. Формование заготовок (прессование порошков).

4. Спекание.

5. Окончательная обработка (доводка, калибровка, уплотняющее обжатие, термообработка).

Последняя операция проводится с целью улучшения физико-механических свойств изделий.

Рассмотренная технология в совокупности позволяет решать с помощью порошковой металлургии две важнейшие задачи, определяющие направление ее развития в настоящее время:

1. Изготавливать материалы и изделия с особыми составами, структурой и свойствами, которые недостижимы другими методами производства.

2. Изготавливать материалы и изделия с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства, например, при изготовлении 1000 т спеченных машиностроительных деталей экономия в среднем составляет около 1 млн. рублей.

Технология изготовления спеченных материалов и изделий начинается с процесса получения металлических порошков. Свойства металлических порошков, их структура и состав зависят от способов их получения и от соответствующих металлов. Очень часто порошок одного и того же металла резко изменяет, в зависимости от метода производства, некоторые из своих свойств.

II. Подготовка порошков. В практике порошковой металлургии металлические порошки чаще всего производят на специализированных заводах, поэтому невозможно учесть все те требования, которые предъявляют к порошкам различные потребители в соответствии с техническими условиями на готовую продукцию. Почти во всех случаях возникает необходимость в специальных операциях подготовки для придания порошку определенных химических и физических характеристик, обеспечивающих выпуск продукции с нужными конечными свойствами. Даже когда порошки производят непосредственно сами потребители, некоторые дополнительные операции перед прессованием порошков необходимы.

Основные операции при подготовке порошков к прессованию: отжиг, рассев (классификация) и смешивание (приготовление смесей).

Отжиг. Этот вид обработки порошков применяют с целью повышения их пластичности и, следовательно, улучшения прессуемости и формуемости.

Наиболее часто отжигу подвергают порошки, полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов. Такие порошки содержат значительные количества окислов, растворенных газов, и наиболее наклепаны. Порошки, полученные восстановлением, подвергают отжигу только в тех случаях, когда требуется повысить чистоту порошка или при необходимости укрупнения мелких частиц, например для предотвращения их самовозгорания.

Однако, даже в тех случаях, когда металлический порошок получен металлотермическим методом, целесообразно бывает подвергнуть такой порошок вторичному довосстановлению.

Рассев (классификация). Под классификацией понимают разделение порошков по величине частиц на фракции, используемые затем либо непосредственно для формирования, либо для составления смеси, содержащей требуемый процент частиц нужного размера. При этом порошки некоторых фракций могут оказаться непригодными для использования, поэтому их подвергают какой-либо дополнительной обработке (укрупнению в случае мелких фракций или размолу в случае крупных).

Приготовление смесей. Смешивание порошков – одна из важных операций при изготовлении спеченных изделий. Для развески компонентов, отличающихся химическим и фракционным составом, используют торговые или технические весы. Приготовление шихты заданного состава проводят в специальных смесительных устройствах. Очень важно обеспечить однородность смеси, т.к. от этого во многом зависят коечные свойства изделий. Шихта считается однородной в том случае, если произвольно взятая проба имеет химический состав, отвечающий заданному. Однородность шихты зависит от многих факторов: метода и продолжительности смешения, гранулометрического состава и плотности порошков. Наиболее распространено механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах, идентичных применяемым при размоле и смесителях.

Смешивание в лопастных или шнековых смесителях проводят при приготовлении пастообразных смесей или увлажнении порошков.

Прессование. Прессование представляет собой формирование тел путем приложения давления к порошку в закрытой форме или оболочке.

Поверхность твердых тел, даже отполированная до зеркального блеска, характеризуется известной шероховатостью и наличием микроскопических или субмикроскопических трещин. В результате контакт между соприкасающимися твердыми телами при отсутствии внешнего давления возможен только в отдельных точках. В связи с этим действительные величины контактных давлений в силу малости величины начальных поверхностей соприкосновения (0,001 – 0,01 % от общей поверхности контактирующих частиц) достигают таких значений, при которых возникают пластические деформации или местные разрушения, т.е. напряженное состояние частицы в окрестностях зоны контакта должно быть близким к предельному.

По имеющимся подсчетам, при среднем напряжении в массе песка 0,1 МПа наибольшее контактное давление составит 2000 МПа. При таких давлениях первоначальный точечный контакт переходит в контакт по некоторой очень малой поверхности.

Под контактной поверхностью имеют в виду часть общей внешней поверхности всех частиц порошка или брикета, которая характеризуется соприкосновением частиц между собой и через которую передаются напряжения. При прессовании объем порошкового тела изменяется в результате смещения отдельных частиц, заполняющих пустоты между ними, и за счет деформации частиц. В начальный момент приложения нагрузки заполняются имеющиеся пустоты и достигается наиболее плотная укладка. В случае прессования пластичных материалов дальнейшее уплотнение будет происходить в основном за счет деформации частиц, причем вначале она ограничена приконтактными участками, а затем распространяется в глубь частиц. При прессовании хрупких материалов деформация проявляется в разрушении и дроблении выступов на поверхности частиц.

Если построить график, на котором по оси ординат отложить относительную плотность в процентах, а по оси абсцисс давление прессования, то зависимость между этими величинами в общей форме можно было бы выразить идеализированной кривой с тремя характерными участками (рис. 20).

Рис. 20. Зависимость плотности прессования порошков от давления.

Из графика видно, что наиболее интенсивное уплотнение должно происходить на первой стадии процесса, связанной с перераспределением частиц и их более плотной упаковкой под действием прикладываемых внешних сил. однако это перемещение частиц в объеме прессовки происходит неравномерно. По окончании первой стадии процесса получается упаковка, близкая к максимально плотной. Уплотнение на первой стадии связано, таким образом, с разрушением так называемых арок и происходит в результате свободного перемещения частиц.

Вторая стадия процесса характеризуется тем, что частицы порошка, упакованные максимально плотно, оказывают определенное сопротивление сжатию, давление при этом возрастает, а плотность некоторое время не увеличивается. На графике это отмечено горизонтальным участком кривой. На второй стадии в силу имеющей место упругой деформации частиц роль местной разгрузки контактов незначительна, а пластическая деформация в приконтактной зоне носит ограниченный местный характер. Наконец, когда давление прессования превысит сопротивление сжатию частиц порошка, начинается их пластическая деформация и процесс уплотнения вступает в третью стадию. С этого момента пластическая деформация охватывает весь объем каждой частицы, смещение контактов фактически прекращаются и они фиксируются.

На практике в процессе прессования происходит взаимное наложение указанных стадий уплотнения, т.к. протекают они одновременно. В связи с этим реальная кривая, характеризующая процесс уплотнения большинства порошков, монотонна и в средней части не имеет явно выраженного горизонтального участка.

Варианты формования.

Изостатическое прессование. Ограничение размеров и массы спеченных изделий или заготовок на операции прессования, вызываемое отсутствием прессов требуемой мощности, продолжает еще в известной степени сдерживать развитие порошковой металлургии. Кроме того, качество больших изделий и заготовок, спрессованных в стальных пресс-формах, как правило, оказывается недостаточно высоким. Один из эффективных способов преодоления указанных трудностей – применение изостатического прессования, представляющего собой прессование порошка в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия.

Сущность гидростатического прессования заключается в том, что порошок засыпают в эластичную оболочку и помещают в рабочую камеру аппарата. Крышку аппарата герметически закрывают и в камере создают требуемое давление. Жидкость (масло, вода, глицерин и т.п.) всесторонне и равномерно сжимает порошок, обеспечивая формование изделия. По сравнению с обычным прессованием в данном случае трение частиц порошка о стенки оболочки невелико.

Шликерное формованиешироко и давно применяется в керамической промышленности при производстве изделий большого размера и сложных форм. Однако в практике порошковой металлургии это сравнительно новый технологический прием, позволяющий проводить формование без приложения внешнего давления путем заливки шликера, представляющего собой однородную концентрированную взвесь порошка в жидкости, в пористую форму с последующей сушкой.

В большинстве случаев шликером наполняют сухую гипсовую форму, являющуюся негативом требуемой конфигурации. После заполнения большая часть жидкости впитывается гипсовой формой, частицы твердой фазы подсыхают и прочно сцепляются одна с другой. Затем форму открывают, подсохшую отливку извлекают и подвергают окончательной сушке и спеканию.

Кроме гипса, при шликерном формовании используют формы из бумаги, металлические перфорированные разборные формы с внутренней прослойкой из бумаги и керамические формы.

Использование шликерного литья в порошковой металлургии позволяет изготавливать трубы, сосуды и изделия сферической и других сложных форм, которые трудно получить традиционными методами порошковой металлургии.

Шликер готовят либо путем размола твердого материала в дисперсионной среде, либо путем перемешивания с ней предварительно размолотого порошка. Количество твердой фазы составляет 40 – 70 %.

Процесс шликерного формования может быть улучшен при использовании вакуумированного, а в некоторых случаях просто нагретого шликера, обладающего улучшенными технологическими свойствами благодаря удалению из него пузырьков газа и понижению вязкости. В настоящее время разработаны способы шликерного формования под вакуумом или давлением и использованием центробежных сил.

Прокатка.Хотя первый патент на прокатку металлических порошков был выдан около 75 лет тому назад, этот способ начали применять широко только в последние 35 – 40 лет. Прокатка представляет собой непрерывное формование заготовок из порошков валками и позволяет получать изделие с равномерной плотностью, длина которых существенно превосходит их ширину при малой толщине. Прокатка находит все большее применение при получении заготовок для конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных изделий (листы, лента, проволока и др.), в производстве фильтров для очистки разных сред, электродов электрохимического производства и других пористых изделий. Как правило, себестоимость тонкой ленты, прокатанной из порошка в два раза ниже, чем при прокатке из слитков, т.к. резко сокращается число операций технологического цикла – отпадает надобность в получении отливок и их подогрева перед прокаткой, не требуется такого большого количества последовательных обжатий, которое необходимо при обработке слитков.

Мундштучное прессование.В ряде случаев применяют формование заготовок из смеси порошка с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице, которое называют мундштучным прессование. Таким способом получают прутки, трубы, уголки и другие большие по длине изделия с равномерной плотностью из плохо прессуемых материалов (тугоплавкие металлы и соединения, твердые сплавы, керметы на основе окислов и др.).

Вибрационное формование– относительно новый вид уплотнения порошков, первые сведения о котором появились в конце сороковых годов. Было обнаружено, что применение вибрации при засыпке и утряске порошка в пресс-форме или в процессе формования позволяет значительно уменьшить давление прессования и повысить равномерность плотности в деталях сложной формы. Положительное воздействие вибрации на процесс уплотнения связано с разрушением начальных межчастичных связей (в частности арок) и улучшением взаимоподвижности частиц, в результате чего достигается высокая плотность их укладки (95 % и выше от теоретически возможного для данного гранулометрического состава порошка). Наиболее эффективно вибрация сказывается при уплотнении порошков, представляющих собой определенную совокупность фракций частиц различного размера.

Высокоскоростное (динамическое) формование.Высокоскоростная обработка металлов с использованием импульсных нагрузок получает в настоящее время все большее распространение для решения технологических задач обработки давлением порошкообразных материалов благодаря ряду преимуществ перед обычными статистическими методами обработки.

Определяющим и характерным признаком, отличающим новые методы деформирования от старых, являются высокие скорости приложения нагрузки, обычно больше 5 – 10 м/с и выше. Процесс высокоскоростного деформирования обеспечивают высокие скорости преобразования энергии и продолжительность процесса уплотнения составляет несколько тысячных долей секунды.

Преимущества высокоскоростного формования порошков перед статистическими методами: возможность создания чрезвычайно высоких давлений; площадь прессуемого объекта при данном давлении не ограничивается максимальным общим усилием прессования, как в случае применения больших плотностей прессовки, вплоть до 100 %; значительное уменьшение усадки при спекании за счет высоких исходных плотностей прессовок; значительное сокращение отделочных операций, благодаря получению поверхностей высокой частоты; возможность сращивания слоев разнородных металлов.