Порошковая металлургия

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ, область науки и техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов, сплавов и металлоподобных соед., полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллич. порошками без расплавления осн. компонента.

Практика изготовления металлич. порошков и спеченной металлич. губки (крицы), получаемых восстановлением оксидов металлов углеродом, известна с глубокой древности. Порошковое золото применяли для декоративных целей за 3000-3500 лет до нашей эры. Железные орудия, найденные при раскопках в Египте и Вавилоне, были изготовлены с использованием отдельных методов порошковой металлургии.

Общепризнанным основоположником совр. этапа развития порошковой металлургии считается русский ученый П.Г. Соболевский, разработавший совместно с В.В. Любарским в 1826-27 метод изготовления изделий из порошка платины. Впоследствии порошковая металлургия развивалась с нарастающим ускорением, т. к. позволяла получать изделия с уникальными св-вами, возможность изготовления к-рых др. способами была исключена. К таким изделиям относятся, напр., фильтры, пористые подшипники; методами порошковой металлургии получают также материалы с заданной структурой, материалы, состоящие из металлов и оксидов, металлов и полимеров и др.

Порошковая металлургия включает след. осн. группы технол. операций: получение исходных металлич. порошков и приготовление из них шихты (смеси); компактирование порошков (или их смесей) в заготовки; спекание.

Получение. Порошки, используемые в порошковой металлургии, состоят из частиц размером 0,01-500 мкм. Получают порошки металлов (или их соед.) мех. и физ.-хим. методами. К мех. методам относят измельчение твердых металлов или их соед. и диспергирование жидких металлов или сплавов. Твердые тела измельчают (см. Измельчение)в мельницах с мелющими телами (барабанные вращающиеся, вибрационные, планетарные мельницы), ударного действия (вихревые, струйные, центробежные) и с вращающимися частями (аттриторы, дисковые, кавитационные, молотковые, роторные). При измельчении в мельницах хрупких материалов частицы порошка имеют осколочную форму, при измельчении пластичных материалов-чешуйчатую. Измельченные порошки характеризуются наклепом (изменением структуры и св-в, вызванным пластич. деформацией) и, как правило, подвергаются отжигу.

Диспергирование, или распыление, жидких металлов и сплавов осуществляют струей жидкости или газа. При распылении водой под высоким давлением используют форсунки разных форм. Св-ва распыленных порошков зависят от поверхностного натяжения расплава, скорости распыления, геометрии форсунок и др. факторов. Распыление водой часто проводят в среде азота или аргона. Распылением водой получают порошки железа, нержавеющих сталей, чугунов, никелевых и др. сплавов. При распылении струи расплава газом высокого давления на размер частиц влияют давление газа, диаметр струи металла, конструкция форсунки, природа сплава. В качестве распыляющего газа используют воздух, азот, аргон, водяной пар. Распыление металла осуществляют также плазменным методом или путем разбрызгивания струи металла в воду. Такими способами получают порошки бронз, латуней, олова, серебра, алюминия и др. металлов и сплавов.

Физ.-хим. методы получения металлич. порошков включают: восстановление оксидов металлов углеродом, водородом или углеводородсодержащими газами; металло-термич. способы - восстановление оксидов, галогенидов или др. соед. металлов др. металлами (см. Металлотермия); разложение карбонилов металлов, металлоорг. соед.; электролиз водных р-ров и расплавов солей. Порошки металло-подобных соед. получают теми же методами и, кроме того, синтезом из простых в-в.

Путем восстановления оксидов металлов производят порошки Fe, Co, Ni, W, Mo, Cu, Nb и др. металлов. Частицы порошков имеют развитую пов-сть. Разложением карбонилов металлов получают порошки Ni, Fe, W, Mo со сферич. формой частиц. Электролиз водных р-ров солей металлов применяют для приготовления порошков Fe, Cu, Ni, а электролиз расплавов солей - для получения порошков Ti, Zr, Nb, Та, Fe, U. В обоих случаях частицы порошков имеют дендритную форму.

Компактирование. Цель компактирования порошков-получение полуфабрикатов (прутки, трубы, ленты) либо отдельных заготовок, по форме приближающихся к конечным изделиям. Во всех случаях после компактирования порошок из сыпучего тела превращается в пористый компактный материал, обладающий достаточной прочностью для сохранения приданной ему формы при послед. операциях.

Осн. виды компактирования - одно- и двустороннее прессование в жестких металлич. матрицах, прокатка, изо-статич. прессование жидкостью или газом, мундштучное прессование, шликерное литье, высокоскоростное прессование, в т. ч. взрывное, инжекционное формование. Компактирование может осуществляться при комнатной т-ре (холодное прессование, прокатка) и при высоких т-рах (горячее прессование, экструзия, прокатка).

Уплотнение порошка при прессовании происходит в результате движения частиц друг относительно друга, их послед. деформации или разрушения. При относительно больших давлениях порошки пластичных металлов уплотняются в осн. благодаря пластич. деформации, порошки хрупких металлов и их соединений-в результате разрушения и измельчения частиц. Спрессованные заготовки из порошков пластичных металлов гораздо более прочны, чем из хрупких. Для увеличения прочности последних в порошок перед прессованием вводят жидкое связующее.

Б. ч. порошков, особенно при произ-ве массовых изделий простой формы, прессуется в жестких металлич. матрицах (прессформах) с использованием таблетировочных, ротационных и др. мех. и гидравлич. прессов-автоматов. После заполнения матрицы порошок прессуется под давлением одного или нескольких пуансонов.

Прессование прокаткой-это непрерывное формова-ние заготовок из порошков при помощи валков на прокатных станах. Подача порошка в валки может осуществляться под действием силы тяжести или принудительно. В результате прокатки получают пористые листы, ленты, профили.

При изостатич. прессовании порошок или пористые заготовки помещают в оболочку и подвергают всестороннему обжатию. Процесс включает заполнение оболочки, ее вакуумирование и заделку, собственно изостатич. прессование и декомпрессию оболочки. Разновидности изостатич. прессования-гидро- и газостатич. прессование, рабочими средами (передающими давление) в к-рых служат соотв. жидкости или газы. Гидростатич. прессование производят, как правило, при комнатной т-ре; газостатич.-при высоких т-рах. С помощью изостатич. прессования получают изделия сложной формы с максимально равномерной плотностью по всему объему.

Формование заготовок из смесей порошка с пластификатором путем продавливания их через отверстие в мундштуке или фильеру наз. мундштучным прессованием. Оно позволяет получать длинные заготовки с равномерной плотностью из труднопрессуемых порошков хрупких металлов и соединений. Пластификатор обеспечивает достаточную вязкость смеси и прочность заготовки.

Шликерное литье формование изделий из шликеров, представляющих собой однородные концентрир. суспензии порошков, обладающие высокими агрегативной и седимен-тационной устойчивостью, хорошей текучестью. Осн. разновидности шликерного литья-литье в пористые формы, литье из термопластичных шликеров (горячее литье) и фор" мование электрофоретич. методом. При литье в пористые формы поток всасывающейся в поры жидкости увлекает за собой частицы порошка, к-рые оседают на стенках пор формы. Термопластичный шликер при обычных условиях состоит из порошка и твердого термопластичного связующего. Смесь нагревают до т-ры, при к-рой связующее становится вязким, заполняют форму вязким шликером и затем охлаждают до затвердевания массы. При электрофоретич. методе формование происходит путем постепенного наращивания слоя из частиц шликера, перемещающихся под воздействием электрич. поля к электроду - форме и осаждающихся на ней.

Высокоскоростное (динамич., импульсное, ударное) прессование осуществляют путем высокоскоростной деформации порошка. К нему относят взрывное, гидроди-намич., магнитно-импульсное прессование, нек-рые виды ковки и штамповки, прессование на быстроходных прессах, копрах, молотах.

Спекание. Конечная операция порошковой металлургии -спекание - заключается в термообраб.отке заготовок при т-ре ниже т-ры плавления хотя бы одного из компонентов. Его проводят с целью повышения плотности и обеспечения определенного комплекса мех. и физ.-хим. св-в изделия. На начальной стадии спекания частицы проскальзывают друг относительно друга, между ними образуются контакты, происходит сближение центров частиц. На этой стадии скорость увеличения плотности (усадки) максимальна, но частицы еще сохраняют свою индивидуальность. На след. стадии пористое тело м. б. представлено совокупностью двух взаимно проникающих фаз-фазы в-ва и "фазы пустоты". На заключит. стадии пористое тело содержит изолир. поры и уплотнение происходит в результате уменьшения их числа и размеров. Спекание многокомпонентных систем осложняется взаимной диффузией. В этом случае спекание может происходить и с образованием жидкой фазы (жидкофазное спекание).

Спекание, как правило, проводят в защитной (чаще всего инертные газы) или восстановительной (водород, углеводо-родсодержащие газы) средах, а также в вакууме. Нагрев изделий осуществляют в электропечах (вакуумных, колпако-вых, муфельных, толкательных, конвейерных, проходных, шахтных, с шагающим подом и др.), индукц. печах, прямым пропусканием тока. Спекание и прессование м. б. совмещены в одном процессе (спекание под давлением, горячее прессование).

Материалы и изделия. Получаемые методами порошковой металлургии материалы наз. порошковыми. Эти материалы условно подразделяют на конструкционные, триботехнические, фильтрующие, твердые сплавы, высокотемпературные, электротехнические, с особыми ядерными св-вами и др.

Из конструкц. порошковых материалов изготовляют детали машин, механизмов и приборов, напр. шестерни, фланцы, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки, корпуса подшипников, детали насосов, разл. диски, втулки и др. Осн. требования к этим порошковым материалам - повыш. мех. св-ва и экономичность. Детали из конструкц. порошковых материалов подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные, а по типу материала-на основе железа или сплавов цветных металлов.

К триботехническим относятся антифрикционные материалы и фрикционные материалы. Оптим. структуры анти-фрикц. материалов - тведрая матрица и мягкий наполнитель. Для создания такой структуры наиб. эффективен именно метод порошковой металлургии. Получаемые этим методом антифрикц. изделия обладают низким и стабильным- коэф. трения, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, хорошей сопротивляемостью схватыванию. Изделия из порошковых антифрикц. материалов являются самосмазывающимися. Твердая смазка (напр., графит, селениды, сульфиды) заключена в порах самого изделия. Антифрикц. порошковые материалы могут использоваться как для изготовления объемных элементов, так и в качестве покрытий, нанесенных на подложки. Характерный пример изделий из порошковых антифрикц. материалов - подшипники скольжения.

Фрикционные порошковые материалы используют в узлах, передающих кинетич. энергию. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью, теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью. Порошковые фрикционные материалы чаще всего состоят из металлич. и неметаллич. компонентов. При этом металлич. составляющие обеспечивают высокую теплопроводность и прирабаты-ваемость, а неметаллические (SiO₂, A1₂O₃, графит и др.) повышают коэф. трения и уменьшают склонность к заеданию.

Фильтры из порошковых материалов по сравнению с др. пористыми изделиями обладают рядом преимуществ: высокой степенью очистки при удовлетворит проницаемости, высокими жаростойкостью, прочностью, сопротивлением абразивному износу, теплопроводностью и др. Фильтры изготовляют спеканием свободно насыпанных или спрессованных порошков бронзы, нержавеющей стали, никеля, титана, железа. Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять фильтры с изменяемой и регулируемой пористостью, проницаемостью и степенью очистки. Фильтры, наряду с пористыми подшипниками, составляют главную часть пористых изделий из порошковых материалов. Методами порошковой металлургии изготовляют также пористые уплотнит. прокладки, антиобледенители, пламегасители, конденсаторы, пеноматериалы и "потеющие" материалы.

Изделия из порошковых твердых сплавов, состоящих из твердых тугоплавких карбидов и пластичного металлич. связующего, получают путем прессования смесей порошков и жидкофазного спекания. Твердые сплавы подразделяются на содержащие WC (или его твердые р-ры с др. карбидами) и безвольфрамовые (на основе TiC и др. тугоплавких соед.); они обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью. Из твердых сплавов изготовляют инструменты для резания металлов и др. материалов, штамповки, обработки давлением, для бурения горных пород. Св-ва мн. инструментов из твердых сплавов существенно улучшаются при нанесении на пов-сть изделий тонких (толщиной в неск мкм) покрытий из тугоплавких соединений.

К высокотемпературным порошковым материалам относят сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Эти сплавы применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и др.

Электротехн. порошковые материалы включают след. осн. группы: контактные (для разрывных и скользящих контактов), магнитные, электропроводящие и др. Разрывные контакты предназначены для многократного (до неск млн.) замыкания и размыкания электрич. цепей. Их изготовляют из порошковых сплавов на основе Ag, W, Mo, Cu, Ni с добавками графита, оксидов Cd, Cu, Zn и др. Скользящие контакты изготовляют из порошковых сплавов на основе Cu, Ag, Ni, Fe с добавками графита, нитрида В, а также сульфидов (для снижения коэф. трения); их применяют в электродвигателях, генераторах электрич. тока, потенциометрах, токосъемниках и др. устройствах. Металлич магнитотвердые и магнитомягкие материалы изготовляют из порошковых сплавов на основе Fe, Co, Ni, Al, SmCo₅, сплава Fe-Nd-B. Магнитодиэлектрики представляют собой многокомпонентные композиции на основе смеси фер-ромагн. порошков с вяжущими в-вами, являющимися изоляторами (жидкое стекло, бакелит, шеллак, полистирол, разные смолы). Диэлектрик образует на частицах ферромагнетика сплошную изолирующую пленку достаточной твердости, прочности и эластичности, одновременно обеспечивая их мех. связывание. Ферриты изготовляют только методами порошковой металлургии. Порошковые электропроводящие материалы и изделия из них разного назначения изготовляют в осн. из Cu, A1 и их сплавов.

В ядерной энергетике порошковые материалы (В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, РЗЭ и др. и их соед.) с особыми св-вами используют в качестве поглотителей, замедлителей, из них изготовляют регулирующие стержни, а также твэлы (с использованием порошков диоксида, карбида, нитрида U и порошков тугоплавких соед. др. трансурановых элементов)

Лит. Шведков Е Л , Денисенко Э. Т., Ковенский И. И., Словарь-справочник по порошковой металлургии, К.. 1982; Кипарисов С. С., Либен сон ГА., Порошковая металлургия, 2 изд., М., 1980; Порошковая металлургия в СССР История. Современное состояние. Перспективы, под ред. И. Н Франце-вича и В. И. Трефилова, М., 1986; Порошковая металлургия и напыленные покрытия, под ред. Б. С. Митина, М., 1987 Ю В. Ленинский