Порошковая металлургия

Порошковая металлургия – это область техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов, сплавов, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками.

Методом порошковой металлургии получают однородные металлические и композиционные материалы с нульмерными компонентами, имеющими в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (порошки).

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

• получение металлического порошка или смеси порошков разнородных материалов;
• формование и спекание;
• дополнительная обработка спеченных порошковых изделий: механическая, калибровка, термическая и химико-термическая и др.

В производственной практике нередко встречаются отклонения от этой совокупности элементов технологии. Например, процессы формования и спекания можно совместить в одной операции. При этом использование порошкообразного вещества в качестве исходного и применение нагрева до температур ниже точки плавления основного компонента смеси остаются неизменными в любом из вариантов технологии порошковой металлургии. Основные направления развития порошковой металлургии связаны, прежде всего, с преодолением затруднений в осуществлении процесса литья тугоплавких редких металлов (вольфрама, молибдена, тантала и др.) и с возможностями производства порошковых материалов и изделий со специфическими свойствами, не достижимыми другими технологическими способами. Например, получение композитов типа вольфрам – медь, твердых сплавов, пористых подшипников, фильтров и пр.

Метод порошковой металлургии позволяет изготовлять многие изделия (например, детали машин и приборов) из обычных материалов и с обычными свойствами, но с лучшими технико-экономическими показателями производства по сравнению с изделиями, полученными традиционной технологией. При изготовлении изделий методом порошковой металлургии потери материалов составляют до 5–7 %, а при металлообработке литья и даже проката в стружку теряется до 60–70 %.

Наконец, важным направлением порошковой металлургии является производство металлических порошков, предназначенных для непосредственного использования (краски, пиротехнические взрывчатые смеси, катализаторы, сварочные материалы и др.), в том числе для упрочнения и защиты от коррозии деталей машин и приборов методами напыления.

Метод получения порошков и природа материала определяют свойства порошков:

• химические (содержание компонентов, примесей и загрязнений, пирофорность и токсичность);
• физические (форма, размер, удельная поверхность, истинная плотность и микротвердость частиц);
• технологические (насыпная плотность, текучесть, формуемость и прессуемость порошка).

В некоторых случаях необходимо знание и более специфических свойств порошка, например, цвета, блеска, кроющей способности красителя из него и пр.

Очень часто некоторые свойства порошка одного и того же металла существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки, идентичные по химическому составу, могут иметь разные физические характеристики и резко различаться по технологическим свойствам, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовые изделия и влияет на их свойства.

1. Методы получения порошков

Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металлических порошков. Общепринятым является условное деление этих методов на физико-химические и механические.

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала. Основными являются методы восстановления металлов, электролиз и термическая диссоциация карбонилов.

Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

Физико-химические способы получения порошков в целом более универсальны, чем механические. Возможность использования дешевого сырья (отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д.) делает многие физико-химические способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов, а также порошки сплавов и соединений на их основе могут быть получены только физико-химическими способами.

Выбирая метод получения металлического порошка, учитывают, прежде всего, необходимость обеспечения требований, предъявляемых к конечной продукции из него, а также экономическую оценку соответствующих технологических процессов – себестоимость порошка, стоимость дальнейшей переработки порошка в изделия.

Механические методы получения порошков могут применяться как самостоятельные, а также входить в схему производства порошка физикохимическими методами (рис. 1).

Диспергирование расплавов – это способ получения металлического порошка распылением расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим путем.

Распылением получаются порошки железа, сталей, чистых металлов, в том числе легких и тугоплавких, а также сплавов на их основе. Распыление эффективно для получения порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава; оптимальное строение и тонкую структуру каждой частицы. Методы диспергирования позволяют увеличить выпуск порошков с контролируемыми свойствами.

Одним из распространенных способов распыления для многотоннажного получения порошков быстрорежущих сталей является диспергирование газом (аргоном, гелием или азотом). Схема с вертикальным расположением форсунки, где на струю расплавленного металла под углами 60º направлены потоки подогретого газа с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью, представлена на рис. 2.

Полученные порошки подвергаются восстановительному отжигу. Механические способы получения порошков, основанные на измельчении твердых тел, часто совмещают с приготовлением смесей порошков.

Из методов измельчения наибольшее распространение получили:

• обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок;
• измельчение металлов в паровых, вихревых, центробежных, молотковых и других мельницах.

Одним из наиболее распространенных видов размольного оборудования являются барабанные мельницы.

В простейшем конструктивном варианте такая мельница представляет собой вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан 5, внутри которого находятся измельчаемый материал и мелющие тела (рис. 3, а). Мелющие тела чаще всего имеют форму шара и изготовлены из стали.

Рис. 1. Разновидность технологической схемы получения железного порошка методом восстановления окалины

Процессы, происходящие в рабочем объеме барабанных мельниц, сводятся к следующему: мелющие тела поднимаются на некоторую высоту в направлении вращения барабана до тех пор, пока угол подъема не превысит угол естественного откоса, после чего шары скатываются или падают вниз и измельчают материал, истирая и раздалбливая его.

Рис. 2. Распыление жидкого сплава инертным газом

Рис. 3. Барабанная шаровая мельница: а – схема устройства: 1, 2 – подшипники; 3 – крышка; 4 – зубчатое колесо; 5 – люк; б – схема перемещения размольных тел и измельчаемого материала

Измельчение может быть мокрым и сухим. Считается, что мокрое измельчение более эффективно и улучшает экологические характеристики оборудования.

2. Формообразование заготовок

Прессование изделий из порошков начинается с приготовления смеси и включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам частиц и смешение порошков разного состава.

Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению оксидов и снимает наклеп, возникающий при механическом измельчении исходного материала.

В металлические порошки вводят технологические присадочные материалы различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и для получения заготовок высокого качества; легкоплавкие материалы, улучшающие процесс спекания; летучие вещества для получения заданной пористости.

Заготовки из металлических порошков получают прессованием (холодным, горячим, гидростатическим), прокаткой и др.

При холодном прессовании в закрытых пресс-формах 2 (рис. 4, а) засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1.

Рис. 4. Схемы одностороннего (а) и двустороннего (б) холодного прессования: 1 – пуансон; 2 – пресс-форма; 3 – порошок

Порошковые металлы, в отличие от компактных, деформация которых приводит к изменению формы и крайне незначительно изменяет объем, деформируются, изменяя не только форму, но и объем. Обычно при формовании высота заготовки по отношению к высоте насыпанного порошка уменьшается в 3–4 раза и более.

Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки вследствие влияния трения порошка о стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование. Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки меньше трех. Двустороннее прессование (рис. 4, б) применяют для формообразования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30–40 %. Давление прессования зависит от требуемой плотности, формы прессуемой заготовки, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накапливаются значительные напряжения. После извлечения из пресс-формы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последствия.

При горячем прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6–0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву пресс-формы или порошка в ней процесс уплотнения протекает гораздо интенсивнее, чем при холодном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод применяют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды и т. д.). Малая стойкость пресс-форм, необходимость проведения процесса в среде защитных газов ограничивают применение горячего прессования и обусловливают его использование только в тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспечивают заданных эксплуатационных свойств.

Пресс-формы стоят дорого, поэтому изготовление прессовок в них является экономически целесообразным в условиях крупносерийного массового производства, когда окупается их стоимость и стоимость технического оборудования; здесь наиболее характерным является изготовление деталей массой до 1 кг.

Гидростатическое прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса (рис. 5) заключается в том, что порошок 6, заключенный в эластичную оболочку 5, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах. Отсутствие внешнего трения способствует получению заготовок равномерной плотности и снижению требуемого давления. В качестве рабочей жидкости 4 используют масло, воду, глицерин и др.

Гидростатическое формование металлических порошков наиболее широко применяют при изготовлении изделий и заготовок, которые в дальнейшем идут на обработку давлением. С развитием реактивной авиации и ракетной техники возникла необходимость получения крупных поковок и листов из тугоплавких металлов и их сплавов. Задача получения крупных заготовок равномерной плотности решена была с помощью гидростатического формования.

Прокатка. Прокатка металлических порошков, т. е. непрерывное их формование, не требующее применения дорогостоящих пресс-форм, является одним из перспективных способов порошковой металлургии, занимая все большее место в металлообработке. Повышенный интерес к прокатке металлических порошков объясняется рядом преимуществ этого метода. Прокаткой можно получить однородные по плотности изделия большой площади: любых размеров по длине, сравнительно большие по ширине при очень малой толщине. При этом не требуется мощного прессового оборудования, как это имеет место при обычных методах формования. При прокатке порошков резко возрастают производительность и экономичность процесса, поскольку не требуется больших капитальных затрат на литейные цеха и цеха горячей прокатки слитков, значительно сокращается число технологических операций и повышается выход годной продукции. Метод прокатки металлических порошков состоит в следующем (рис. 6). Подготовленная шихта засыпается в бункер 1, откуда поступает в зазор между вращающимися навстречу друг другу валками 2. Металлический порошок, продвигаясь в очаге деформации – области, ограниченной упорами бункера и частью поверхности валков, уплотняется и формируется в ленту 3. Выходя из валков, лента попадает на направляющую 4, откуда поступает в печь на спекание или сматывается в рулон. Таким образом, процесс прокатки можно рассматривать как непрерывное формование с постепенным уплотнением от сыпучего состояния материала до жесткого пористого тела.

Рис. 5. Схема установки гидростатического формования: 1 – манометр; 2 – предохранительный клапан; 3 – крышка; 4 – жидкость; 5 – деформируемый порошок; 6 – эластичная оболочка

Рис. 6. Методы прокатки порошков: а – двухслойной; б – трехслойной

Для повышения плотности и улучшения механических свойств спеченную ленту подвергают дальнейшей многократной холодной прокатке с промежуточными отжигами. После этих операций лента по своим свойствам не отличается от полученной из слитков.

Порошковую ленту можно прокатывать в вертикальном и горизонтальном направлениях в зависимости от расположения прокатных лент.

Прокаткой порошка можно получать биметаллические и многослойные ленты и полосы. Для получения биметаллической ленты в бункер вставляется перегородка, которая нижним срезом доходит до зоны деформации и разделяет подаваемые порошки (рис. 6, а). Аналогичным способом можно получать и многослойные ленты. В этом случае в бункер устанавливаются несколько перегородок по числу слоев ленты (рис. 6, б). Немного отличается от этой методики получение биметаллической ленты из компактного металла и порошкового слоя. В этом случае прокатка порошка проводится совместно с компактной подложкой. После прокатки заготовка спекается или подвергается дополнительной горячей прокатке. Так изготовляют тормозные стальные ленты с фрикционным металлокерамическим слоем.

Прокаткой порошков можно получать не только листы и ленту, но и простейшие профили: прутки, проволоку и т. д.

3. Спекание прессованных изделий

При спекании увеличивается поверхность контакта частиц, а также плотность материала и его прочность.

Температура спекания зависит не только от химического состава прессовки, но также и от фракции порошка. В прессовках из тонких порошков частицы имеют большую внутреннюю и внешнюю (в связи с пористостью) поверхности, температуры спекания таких прессовок ниже, чем прессовок из порошков более крупной фракции того же состава.

Твердофазное спекание однокомпонентных прессовок производится при температуре около 0,7–0,9 их абсолютной температуры плавления. В начальной стадии спекания снимаются наклеп и остаточные напряжения, что сопровождается ослаблением физического контакта между частицами, относительная плотность при этом практически остается неизменной. По достижении температуры, составляющей примерно половину температуры плавления, развиваются процессы восстановления оксидов и удаления из прессовки газообразных продуктов; снижение или повышение плотности на этом этапе зависит от начального количества оксидов и характера порообразования, препятствующего (при закрытых порах) или способствующего (при открытых порах) удалению газов. На последнем – высокотемпературном – этапе спекания идет диффузионная рекристаллизация с полным развитием металлических контактов, что сопровождается уплотнением материала (рис. 7, а, б).

Рис. 7. Схема объединения структурных элементов порошковой заготовки при уплотнении и спекании: а – сближение; б – соприкосновение; в – начало объединения; г – полное объединение заготовок

Твердофазное спекание двухи многокомпонентных прессовок производится при температуре несколько ниже точки плавления наиболее низкоплавкого компонента в порошковой смеси.

Жидкофазное спекание многокомпонентных прессовок производится при нагреве несколько выше температуры плавления самого легкоплавкого компонента, вводимого в смесь порошков в качестве связующего, или точки плавления эвтектики этого компонента с другими компонентами порошковой смеси. От взаимной растворимости компонентов и их способности образовать химические соединения зависит, будет полученный после спекания материал однофазным или многофазным.

Прессовки имеют, как правило, большую удельную поверхность и склонность к окислению, поэтому спекание производят чаще в нейтральной или восстановительной среде (вакуум, угольные засыпки, водород, азот).

Если на поверхности частиц находятся оксиды, не восстанавливающиеся водородом, то в шихту вводят сжатый углерод, восстанавливающий при нагреве металлы из оксидов (оксиды титана, магния, хрома, тантала, ниобия).

Температура спекания изделий конструкционного назначения из порошков на основе железа 1 100–1 200 °С, на основе меди – 800–950 °С.

Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением позволяет снизить пористость материалов и повысить их пластичность. Например, у спеченных заготовок вольфрама с исходной пористостью 38–40 % после ковки пористость снижается до 2–5 %, и металл приобретает пластичность, необходимую для протяжки через фильеры или прокатки. Перед прокаткой для снятия напряжений заготовки из вольфрама подвергают промежуточному отжигу при температурах выше 1 200 °С.

После протяжки вольфрама в проволоку диаметром 0,05 мм пористость его снижается до 1 %.

4. Виды изделий из порошковых композиционных материалов

Металлокерамические твердые сплавы. Эти сплавы применяют в виде пластинок к режущему инструменту и инструменту для буров при бурении горных пород, а также в виде фильер для волочения. Некоторые мелкие режущие инструменты (сверла, развертки, фрезы) изготовляют целиком из твердых сплавов.

Металлокерамические твердые сплавы очень тверды (82–92 HRA) и способны сохранять режущую способность до температур 1 000–1 100 °С. Основной составляющей таких сплавов являются карбиды вольфрама, титана, тантала. В качестве связующего применяют кобальт (см. раздел 1).

Антифрикционные и фрикционные изделия. Антифрикционные сплавы содержат дефицитные цветные металлы (олово, свинец, сурьма), кроме того, они не могут работать в условиях сухого трения, при большой скорости скольжения, в агрессивных средах и при температурах выше 350 °С.

Для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, втулок, уплотнителей все более широкое применение находят спеченные антифрикционные материалы, которые могут работать в названных выше условиях. Эти материалы характеризуются также низким коэффициентом трения, высокой износоустойчивостью и хорошей прирабатываемостью. Относительная пористость этих материалов (18–25 %) обеспечивает необходимую впитываемость масла, для этого изделия обрабатывают в масляной ванне при температуре 100–120 °С.

Спеченными антифрикционными материалами являются железографит, железографит–медь, железо–медь, бронзографит.

Фрикционные спеченные материалы применяют для прокладок в тормозных дисках машин, для тормозных лент и колодок в самолетах, тракторах и т. д. В состав их входят медь, железо, олово, графит, кремний. Эти материалы выдерживают давление до 7 МПа и нагрев до температуры 550 °С.

Фильтры. Фильтры, спеченные из порошков металлов и металлоподобных соединений по сравнению с фильтрами из других материалов (бумаги, фибры, фетра, металлических сеток, фторопластовых и нейлоновых пористых материалов) имеют большие прочность и стабильность формы, теплостойкость и теплопроводность, а также способность регенерироваться в процессе работы. Различные фильтры задерживают частицы размером от 10 до 1 мкм.

Фильтры изготовляют из порошков железа, стали, бронзы, титана, они могут иметь форму лент, труб, стаканов.

Методами порошковой металлургии получают электроконтакты, магниты, а также детали из углеродистых, легированных сталей, чугунов и цветных сплавов, которые заменяют изделия, получаемые по традиционной технологии (литьем, обработкой давлением).

Получение спеченных изделий включает калибровку и термическую обработку.

Традиционно для получения деталей используют порошки с размерами частиц от 400 до 20 мкм. Для некоторых специальных изделий необходимы тонкие порошки с частицами от 2 до 0,1 мкм. Это обусловливает переход от механических способов получения порошков к химическим и электрохимическим методам (восстановление в газовой и жидкой фазах, электролиз).

5. Проектирование технологичных заготовок

При проектировании порошковых деталей следует максимально уменьшать количество изменений толщины или диаметра заготовки вдоль оси, особенно тогда, когда это не вызывается конструктивной необходимостью (рис. 8 – 1). Толщина стенки изделия диаметром 10–15 мм и высотой 15–20 мм должна быть не менее 1,2–1,5 мм. У более крупных заготовок минимальная толщина стенки возрастает примерно по 0,8 мм на каждые 25 мм длины. Толщина данной части глухих отверстий должна быть не менее 2–3 мм. Отверстия располагаются на расстоянии не менее 2–3 мм от края заготовки и друг от друга.

В конструкциях изделий следует избегать:

• резких изменений толщины стенок (рис. 8 – 2);
• узких и длинных выступов (рис. 8 – 3) и выемок (рис. 8 – 4);
• обратной конусности (рис. 8 – 5);
• острых углов (рис. 8 – 6) и других форм, приводящих к ослаблению пресс-форм;
• радиальных канавок (рис. 8 – 8), а также выемок и отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования.

При сопряжении поверхностей следует предусмотреть радиус закругления не менее 0,25 мм для внутренних и не менее 2,5 мм для наружных поверхностей. Рекомендуется заменить фигурные отверстия в деталях круглыми (рис. 8 – 7), что упрощает конструкцию пресс-формы.

Рис. 8. Примеры конструкций порошковых заготовок: а – технологичных; б – нетехнологичных

С усложнением формы прессуемой заготовки затрудняется достижение равномерной плотности во всех ее частях. При изготовлении таких заготовок приходится применять разрезные матрицы. Применение прессформ с двумя и более плоскостями разъема оправдано лишь в исключительных случаях, так как это резко увеличивает их стоимость и снижает производительность труда. В некоторых случаях части фасонного изделия формируют отдельно, а затем их спекают в одно целое.

Заготовки, получаемые холодным прессованием с последующим спеканием, должны иметь:

точность размеров некалиброванных деталей – 8–14 квалитет, калиброванных – 6–7 квалитет;

шероховатость поверхности некалиброванных деталей – Ra 2,5–0,63 мкм, калиброванных – Ra 0,32–0,08 мкм.

Экономическая эффективность изготовления порошковых заготовок тем выше, чем больше их серийность, поэтому такая технология целесообразна только при годовой программе выпуска в несколько тысяч штук.

Коэффициент использования металла при изготовлении порошковых деталей может достигать 90–98 %, а например, наличие в материале подшипника пор, пропитанных смазочными жидкостями, увеличивает срок службы в 1,5 и более раз.